CN112154586A - 海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作海洋船舶或平台海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的方法(800)，所述方法包括：确定(820)海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态；以及基于运动状态对动能发电机的充电和放电中的至少一者施加(830)限制，以将动能发电机保持在安全操作范围内。

Description

海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作
背景技术
许多不同类型的海洋船舶和平台具有显著的功率需求，并且包含通常被称为“微电网”的自包含式电力系统。在本发明的上下文中，海洋船舶包括典型的海洋船舶(例如，补给船、货船、商船和渡轮)以及海上钻探装置(例如，半潜式钻探平台和钻探船)和延伸的海上平台，该平台会经历由于环境负载(例如风、海流和波浪)引起的剧烈运动(例如某些类型的海洋采矿平台)。微电网通常为各种电负载供电。对于海上钻探装置(也称为移动式海上钻探单元)，这样的负载包括绞车、绞盘、液压动力单元(HPU)、电动推进器、泥浆泵、顶部驱动器、转台、动态制动系统、水泥泵、起重机和外围电气负载。这些电负载中的一些相对恒定。例如，照明、HVAC(供暖、通风和空气调节)、泵、搅拌器、混合器和空气压缩机通常产生约一至五兆瓦(MW)的基本负荷。泥浆泵、顶部驱动器和转台也可能产生相对恒定的电负载。
另一方面，海上钻探装置上的一些显著的电负载可能是非常动态的。例如，绞车、绞盘、推进器、起重机、HPU和泥浆泵产生高度可变的负载，其峰值功率需求例如是典型的基本负载的两到三倍。作为一个特定的示例，一些绞车的负荷要求可以在不到二十秒内变化达十MW，并且可以在不到两秒内从零逐渐上升至约七MW。作为另一个示例，钻探船和半潜式钻探装置使用推进器以相对于海底油井保持恒定位置。钻探船或半潜式钻探装置上的每个推进器可能代表约五到七MW的最大负载，而典型的钻探装置可能具有六到八个推进器，从而使得总推进器最大负载超过三十MW。每个推进器可以在大约十到二十秒内逐渐上升至其最大负载，并且可以一次启动多个推进器。因此，推进器可能会对钻探装置产生非常大的瞬态负载。因此，海上钻探装置的微电网必须支持显著的瞬态和稳态的电负载。此外，海上钻探装置的微电网必须高度可靠，因为电力故障或“停电”可能会带来灾难性后果，包括生命损失、严重的环境破坏和巨大的经济损失。
AC燃烧式发电机或“发电机组”通常用于在微电网中提供电力。这些发电机需要大量时间才能启动，并且无法快速响应负载变化。因此，这些发电机通常以大的“运转备用”(即，运行中的发电机的备用发电容量)来运行，以支持负载增加，并且在单个发电机发生故障的情况下确保足够的发电机容量。超级电容器可以用于支持瞬态负载，而常规的电池可以用于在发电机完全故障的情况下在有限的时间内供电。
发明内容
在一个实施方案中，一种用于操作海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的方法，其包括：确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态；以及基于所述运动状态对所述动能发电机的充电和放电中的至少一者施加限制，以将所述动能发电机保持在安全操作范围内。
在一个实施方案中，所述施加步骤包括：基于所述运动状态，限制所述动能发电机的转子的加速和减速中的至少一者。
在一个实施方案中，所述施加步骤包括：针对所述动能发电机的充电和放电中的至少一者中的每一者，施加从对应的离散的多个速率中选择的限制。
在一个实施方案中，所述方法包括：(a)在确定步骤中，确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的值；以及(b)在所述施加步骤中，将所述动能发电机的充电和放电中的至少一者的速率限制为作为所述运动特性的值的渐进函数的速率。
在一个实施方案中，所述施加步骤包括：当所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，执行以下操作中的至少一者：(a)禁用所述动能发电机的充电；以及(b)限制所述动能发电机的削峰能力。
在一个实施方案中，所述施加步骤包括：当所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，允许所述动能发电机以所述转子的被限制为比所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于较小运动状态时所允许的对应的减速速率小的减速速率支持负载。
在一个实施方案中，所述方法还包括：监测所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的至少一个运动特性。
在一个实施方案中，所述施加步骤包括：基于所述监测，自动改变所述动能发电机的操作模式。
在一个实施方案中，所述自动改变步骤包括：在监测步骤的预定持续时间内一致地感测到所述至少一个运动特性与所述动能发电机的另一个操作模式相关联时，从所述动能发电机的当前操作模式进行改变。
在一个实施方案中，所述监测步骤包括：感测动能发电机的非转子部分和动能发电机的局部环境中的至少一者的运动或倾斜角。
在一个实施方案中，所述监测步骤包括：测量有源磁轴承的电流。
在一个实施方案中，所述方法包括：(a)在所述确定步骤中，将所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的静态倾斜度和动态倾斜度与相应阈值进行比较；以及(b)在所述施加步骤中，当所述静态倾斜度和所述动态倾斜度中的至少一者超过其阈值时，将所述动能发电机的充电和放电中的至少一者限制为比与均低于其各自的阈值的所述静态倾斜度和动态倾斜度相关联的对应速率小的速率。
在一个实施方案中，一种用于海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作的控制系统，包括：(a)处理器，所述处理器被配置为通信地耦合到所述动能发电机；(b)接口，所述接口与所述处理器通信地耦合，用于接收指示所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的传感器信号；以及(c)非暂时性存储器，所述非暂时性存储器包含机器可读指令，所述机器可读指令在由所述处理器执行时执行以下步骤：处理所述传感器信号以确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态，以及基于所述运动状态对所述动能发电机的充电和放电中的至少一者施加限制，以将所述动能发电机保持在安全操作范围内。
在一个实施方案中，所述机器可读指令被配置为：在由所述处理器执行时并且当所述处理确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，禁用所述动能发电机的充电。
在一个实施方案中，所述非暂时性存储器还包括多个放电速率限制，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时并且基于所述运动状态来将所述动能发电机的放电速率限制为所述放电速率限制中的一个。
在一个实施方案中，所述非暂时性存储器还包括以下中至少一者：(i)根据所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的值对放电速率限制进行限定的放电功能；以及(ii)根据所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的值对充电速率限制进行限定的充电功能，所述机器可读指令被配置为在由处理器执行时处理所述传感器信号以确定所述运动特性的值，并应用所述放电功能和所述充电功能中的至少一者以施加所述放电速率限制和所述充电速率限制中的至少一者。
在一个实施方案中，所述非暂时性存储器还包括至少一个倾斜度限制，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时处理所述传感器信号以确定所述动能发电机的倾斜度，并且基于将所述倾斜度与所述至少一个倾斜度限制进行比较来确定所述动能发电机的充电和放电中的至少一者。
在一个实施方案中，所述至少一个倾斜度限制包括静态倾斜度限制和动态倾斜度限制，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时：(i)处理所述传感器信号以确定所述动能发电机的静态和动态倾斜度两者；以及(ii)当所述静态倾斜度和所述动态倾斜度中的至少一者分别超过所述静态倾斜度限制和动态倾斜度限制时，将所述动能发电机的充电和放电中的至少一者限制为比与均低于其各自的阈值的所述静态倾斜度和动态倾斜度相关联的对应速率小的速率。
在一个实施方案中，所述非暂时性存储器还包括时间常数，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时，在与所述时间常数相对应的持续时间内一致地感测到所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的至少一个运动特性与所述动能发电机的另一个操作模式相关联时，从所述动能发电机的当前操作模式改变操作模式。
在一个实施方案中，所述接口还被配置为接收请求从所述低运动模式切换到所述高运动模式的用户输入，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时当接收到所述用户输入时将所述动能发电机的操作切换到所述高运动模式。
在一个实施方案中，一种用于海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作的动能发电机系统，包括：(1)一个或多个动能发电机，所述一个或多个动能发电机包括转子和磁感应耦合器，所述磁感应耦合器能够：(a)使所述转子的旋转加速，以将电能转换为存储在所述一个或多个动能发电机中的动能；以及(b)使所述转子的旋转减速，以从存储的动能生成电能；(2)至少一个传感器，所述至少一个传感器用于生成一个或多个传感器信号，所述一个或多个传感器信号指示所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的至少一个运动特性；和(3)控制模块，所述控制模块用于：(a)基于所述一个或多个传感器信号，确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态；以及(b)基于所述运动状态对所述加速的速率和所述减速的速率中的至少一者施加限制，以将所述一个或多个动能发电机保持在安全操作范围内。在许多实施方案中，每个动能发电机一个传感器可能是优选的，因为每个动能发电机包括传感器布置以确保其自身的完整性。然而，在一些实施方案中，系统被布置为使得基于一个或多个传感器来控制多个动能发电机。为了提高传感器信号的可靠性(例如通过投票算法，该算法被布置为舍弃可能由故障传感器引起的异常信号)，多个传感器可能是优选的。在一些实施方案中，所述多个传感器可以向其他系统提供信号，或者可以是其他装备的一部分，例如动态定位系统中的MRU传感器。
在一个实施方案中，所述至少一个传感器包括倾斜度传感器，所述倾斜度传感器耦合到所述一个或多个动能发电机的非转子部分或者定位在所述动能发电机的局部环境中。
在一个实施方案中，所述至少一个传感器包括加速度计，所述加速度计耦合到所述一个或多个动能发电机的非转子部分或者定位在所述动能发电机的局部环境中。
在一个实施方案中，所述加速度计和所述控制模块被协作地配置为确定所述一个或多个动能发电机的倾斜度。
在一个实施方案中，所述一个或多个动能发电机还包括：固定装置；用于保持所述转子的轴；以及用于使所述轴稳定在所述固定装置中的有源磁轴承，并且所述至少一个传感器包括电流传感器，所述电流传感器用于测量所述有源磁轴承的电流。
在一个实施方案中，所述控制模块被配置为基于由所述电流传感器测量的电流来确定所述运动状态。
在一个实施方案中，所述控制模块被配置为当确定所述海洋船舶或平台处于高运动状态时，通过所述磁感应耦合器来禁用所述加速。
在一个实施方案中，所述控制模块被配置为基于所述运动状态来限制所述减速的速率。
在一个实施方案中，本发明涉及一种微电网发电系统，包括：(i)电力总线；(ii)一个或多个燃烧式发电机，所述一个或多个燃烧式发电机电耦合到所述电力总线；以及(iii)如前所述的一个或多个动能发电机系统。这样的微电网将具有以下优点：将动能发电机用于这样的用途，例如对任何燃烧式发电机上的负载进行削峰；捕获多余的可用功率(例如通过降低从钻探装置悬挂的重物)；在燃烧式发电机运行中断的情况下提供备用电源。
附图说明
图1例示了根据一个实施方案的在海洋船舶或钻探船船载平台上实施一个或多个示例性动能发电机的示例性使用场景。
图2以进一步的示例性细节例示了图1的动能发电机。
图3至图5例示了图1的动能发电机的示例性磁轴承。
图6示意性地例示了根据一个实施方案的动能发电机的倾斜。
图7是根据一个实施方案的被配置用于在海洋船舶或平台上实施的动能发电机系统的框图。
图8例示了根据一个实施方案的用于操作海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的方法。
图9例示了根据一个实施方案的用于海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作的控制模块。
图10例示了根据一个实施方案的用于操作海洋船舶或平台上的动能发电机的双模式方法。
图11例示了根据一个实施方案的用于海洋船舶或平台上的动能发电机的双模式操作的控制模块。
具体实施方式
本文公开了在海洋船舶或平台上(例如在钻探船或半潜式钻探装置上)实施一个或多个动能发电机作为能源的系统和方法。所公开的系统和方法被配置为以这样的操作模式来操作每个动能发电机：该操作模式取决于动能发电机所在的海洋船舶或平台的运动状态。例如，当海洋船舶或平台处于高运动状态时，动能发电机的某些功能被禁用，以便将动能发电机保持在安全操作范围内。
图1例示了在海洋船舶或平台上实施一个或多个示例性动能发电机110的一种示例性使用场景100。在图1的示例性使用场景中，一个或多个动能发电机110在钻探船102上被实施。在不脱离本发明范围的情况下，动能发电机110可以替代地在经受运动的半潜式钻探装置或另一个海洋船舶/平台(包括多个海洋船舶)上实施。钻探船102用于在海底182上钻井180。钻探船102具有推进器140(例如，在四个和八个推进器140之间)，并且与推进器140接合以在井180上的水平维度上保持恒定位置。例如，推进器140可以被接合以抵消洋流、波浪和/或风。钻探船102还包括绞车150，该绞车根据需要使钻具130上下移动以钻探井180。钻探船102可能相对于海底182上下移动，并且绞车150也因此相对于钻探船102主动地升高和降低钻具130，以使钻具130相对于井180保持静止。推进器140和绞车150是具有较大电负载需求的钻探船102船载系统的示例。
钻探船102包括一个或多个燃烧式发电机120，以至少部分地支持钻探船102船载的推进器140、绞车150和其他系统的负载。钻探船102还包括功率管理系统160、一个或多个动能发电机110、以及控制模块170。每个动能发电机110以动能的形式存储能量。每个动能发电机110被配置为：(a)将供应给它的电能转换为动能发电机110的转子(图1中未示出)的动能；以及(b)当需要电能输出时，将存储的动能转换为电能。因此，每个动能发电机都适合作为电网(例如微电网)中的能量存储装置。每个动能发电机110包括一个或多个磁轴承，所述一个或多个磁轴承用于支撑转子以确保转子在动能发电机110中的无接触支撑，以便实现动能发电机110的高效率并且还使动能发电机110上的磨损最小化。为了清楚例示，图1没有示出磁轴承。然而，下面参考图2至图5进一步详细讨论磁轴承。在一个实施方案中，这些磁轴承是有源磁轴承，并且进行主动调节以帮助确保动能发电机110中的转子的无接触支撑。功率管理系统160管理来源于燃烧式发电机120和动能发电机110的操作和功率。
当燃烧式发电机120不能满足钻探船102的负载需求时，功率管理系统160可以从一个或多个动能发电机110获取能量。与燃烧式发电机120相比，动能发电机110具有大的能量存储容量和短得多的响应时间。动能发电机110还能够以高速率存储和传递能量。在特定实施方案中，每个动能发电机110：(a)能够在十毫秒内或在一些实施方案中在一毫秒内响应负载的变化；(b)具有至少100千瓦时(kWh)的能量存储容量；以及(c)具有至少一兆瓦(MW)的最大峰值功率输出。另外，在一些实施方案中，所有动能发电机110实例共同具有至少一兆瓦时(MWh)的能量存储容量，并且能够在五分钟或更长时间内提供至少1MW的输出功率。另外，在某些实施方案中，动能发电机110共同具有至少与任何一个燃烧式发电机120实例的最大功率输出一样大的最大功率输出，例如4MW-10MW。在特定实施方案中，每个动能发电机110具有小于2米的水平范围，例如1.5米，因此在钻探船102上仅占据相对较小的占地面积。
图2以进一步的示例性细节例示了动能发电机110。动能发电机110能够：(a)以高效率将电能转换为旋转能形式的动能；(b)以低损耗存储动能；以及(c)以高效率将动能转换为电能。动能发电机110包括转子210和轴220。转子210与轴220机械地且牢靠地联接，并且转子210和轴220被配置为绕轴线290在方向292上旋转。在不脱离本发明范围的情况下，方向292可以与图2所示的方向相反。图2以横截面图示出了动能发电机110，其中该横截面包括轴线290。
当动能发电机110在钻探船102(或另一个海洋船舶或平台)上被实施时，控制模块170控制动能发电机110是在减速模式、加速模式还是存储模式下运行。在减速模式下，如由动能管理系统160管理的那样，动能发电机110用作发电机并将存储在转子210的旋转中的动能转换为电能以传递给负载。该能量转换可以称为使动能发电机110放电。在加速模式下，动能发电机110使用从外部源(例如，钻探船102船载的燃烧式发电机140或再生式制动系统)接收的电能来使转子210绕轴线290的旋转加速。该加速使动能发电机110“充电”。在存储模式下，动能发电机110既不接收电能也不生成电能。绕轴线290旋转的方向292在减速模式、加速模式和存储模式下是相同的。动能发电机110可以能够以小于25毫秒(例如，在0.1毫秒与50.0毫秒之间的范围内，或在0.1毫秒与1.0毫秒之间的范围内)的响应时间在这些模式中的任何两种之间切换。在一种示例性场景中，控制模块170在上述响应时间内将动能发电机110的操作模式从加速模式或存储模式切换到减速模式的最大功率输出。这些快速的响应时间使动能发电机110能够以比燃烧式发电机120可达到的时间尺度快得多的时间尺度响应负载变化。因此，动能发电机110能够执行削峰，并且例如以约一毫秒或一毫秒的一部分的时间尺度消除由功率需求的增加引起的电压降。作为比较，燃烧式发电机的响应时间为约几秒或更多，而电池的响应时间为约100毫秒或更多。超级电容器能够以约数毫秒的时间尺度做出响应。然而，常规超级电容器或甚至常规超级电容器阵列的能量容量比动能发电机110的能量容量低几个数量级。在一个示例中，动能发电机110的最大功率输出在0.5与1.5兆瓦(MW)之间的范围内，例如大约1.0MW。在一个或多个燃烧式发电机120不起作用的情况下，动能发电机110还可以用作应急电源。
在某些实施方案中，转子210具有高度212和具有直径214的圆柱形外周界。在一些实施方案中，高度212不大于3米，例如在1.0米与2.5米之间的范围内，例如大约1.8米。在一些实施方案中，直径214不大于2.5米，例如在1.0米与2.0米之间的范围内，例如大约1.5米。转子210的重量可以小于2000千克(kg)，例如在1000kg与1500kg之间的范围内，例如大约1250kg。转子210可以基本上由碳复合物构成。
动能发电机110包括磁感应耦合器235，该磁感应耦合器将电能互换为动能，或者反之亦然。取决于动能发电机110的操作模式，磁感应耦合器235将电能转换为转子210的旋转能，或从转子210的旋转能生成电能。磁感应耦合器235具有至少两个线圈230和至少两个永磁体232。磁体232可以包括铁磁性材料或由铁磁性材料构成。磁体232与转子210机械地且牢靠地联接，如图2所示那样直接地联接和/或通过轴220间接地联接。线圈230与动能发电机110的外壳270机械地且牢靠地联接，并且还与图2中未示出的电路电耦合。在转子210绕轴线290旋转的过程中，磁体232经过线圈230并与其磁耦合。线圈230和磁体232都沿着方向292布置在不同的位置。
在减速模式下，磁体232与转子210一起绕轴线290旋转，并在线圈230中感应出电流。该电流如由功率管理系统160管理的那样被传递到负载。在减速模式期间，随着转子210的动能被转换为电能，转子210的旋转速度降低。
在加速模式下，例如，如由功率管理系统160管理的那样，电流被供应给动能发电机110并通过线圈230。该电流与由磁体232生成的磁场磁耦合以使转子210加速。动能发电机110可以采用通过线圈230的电流的方向的主动切换来使转子210加速。
动能发电机110能够实现高的旋转速度。在一个实施方案中，转子210可以实现绕轴线290的至少每分钟15,000转(rpm)的旋转速度，例如大约50,000rpm或在30,000rpm与至少60,000rpm之间。该高旋转速度使得动能发电机110能够具有高的能量容量。在一个实施方案中，动能发电机110的能量容量在50与200千瓦时(kWh)之间的范围内。因此，动能发电机110能够在较长的时间段内以相当大的速率生成电能。结果，动能发电机110能够以短的响应时间(如上文所讨论的)和高的功率输出提供电力，并且还在更长的时间段(例如，数秒、数分钟或更长)内发电。因此，动能发电机110在一个装置中提供：(a)与超级电容器阵列或常规飞轮可达到的功率输出和响应时间类似的功率输出和响应时间；以及(b)与电池或电池阵列的较长期发电类似的较长期发电。由于能量容量相对较低，超级电容器和常规飞轮通常不能在较长的时间段(例如数秒或数分钟)内生成能量。此外，能够产生几兆瓦输出功率的超级电容器阵列所具有的物理尺寸将大大超过动能发电机110的那些特性(例如，高度212和直径214)。同样，能够与动能发电机110的能量容量相匹配的电池或电池阵列所具有的物理尺寸将大大超过动能发电机110的那些物理尺寸。按比例放大至实现动能发电机110的能量容量的常规飞轮将需要这样的飞轮：该飞轮的物理尺寸大大超过转子210的那些物理尺寸。这些尺寸对于在海上钻探船舶或其他海洋船舶上的实施来说是不切实际的，因为这样的船舶上的空间有限。另外，在大小上按比例放大至实现动能发电机110的能量容量的常规飞轮将比动能发电机110贵得多。
在一个实施方式中，动能发电机110的能量容量为大约100kWh。该实施方式有助于大约1MW的功率输出，该功率输出与可以用于使动能发电机110与电力总线对接的某些标准电气部件的额定功率相匹配。在另一实施方式中，动能发电机110的能量容量小于100kWh，例如在10kWh与25kWh之间的范围内。在该实施方式中，动能发电机110可以用于为海上钻探船舶(或其他海洋船舶)船载的单个机器提供电力。
在又一实施方式中，数个动能发电机110协作以实现达至少2,000kWh的组合能量容量。例如，四个动能发电机110可以分别具有至少200kWh或至少400kWh的组合能量容量以及至少2MW或至少4MW的最大功率输出。为此，可以在自升式海上钻探装置上实施动能发电机110。在可以在半潜式海上钻探装置上实施的另一示例中，十二个动能发电机110协作以分别提供至少600kWh或至少1200kWh的组合能量容量以及至少6MW或至少12MW的最大功率输出。半潜式海上钻探装置通常依靠动态定位来维持其相对于井的位置，并且因此呈现出比典型的自升式海上钻探装置更大的能量需求。在另一示例中，十六个动能发电机110协作以分别提供至少800kWh或至少1600kWh的组合能量容量以及至少8MW或至少16MW的最大功率输出。这样的一组十六个动能发电机110可以有利地在这样的钻探船上被实施：该钻探船具有比通常与半潜式海上钻探装置相关联的能量需求更大的能量需求。应当理解，这些实施方式和示例是非限制性的，并且可以将不同数量的动能发电机110一起实施以实现宽范围的能量容量和最大功率输出。
在持续的时间段内在减速模式下运行的动能发电机110的一个示例性场景中，动能发电机110生成1MW持续达大约2分钟到3分钟。在另一示例性使用场景中，动能发电机110执行削峰以确保电力总线上的稳定电压。动能发电机110能够同时：(a)执行削峰；以及(b)在持续的时间段内在减速模式下运行，例如以处理在其他情况下需要燃烧式发电机的功率需求。
动能发电机110能够在相对较小和较轻质的包装中实现上述响应时间、功率输出和能量容量(如上所述)。轻质的包装可确保动能发电机110与海上钻探船舶上的操作兼容。海上钻探船舶(或其他海洋船舶)上的操作与空间限制相关联，并且由于船舶的运动，对动能发电机110的结构完整性和稳定性提出挑战性要求。
动能发电机110至少部分地有效地实现了上述性能参数。即使当动能发电机110位于海上钻探船舶或其他海上/海洋船舶上并经受海洋船舶或平台的运动特性时，在转子210和轴220旋转期间，最小化的空气阻力和机械部件之间最小化的摩擦也有助于实现这种高效率。
为了使转子210上的空气阻力最小化，外壳270可以是密封的真空外壳，其在真空环境中包含转子210和轴220。外壳270还可以避免暴露于氧气和湿气，这可以延长动能发电机110的内部部件的寿命。
为了减少旋转部件与固定部件之间的机械摩擦，动能发电机110配置有磁轴承。动能发电机110包括下部轴承系统240和上部轴承系统250。轴承系统240和250协作以通过轴220相对于外壳270支撑转子210。动能发电机110被配置为绕轴线290的基本竖直的定向旋转，即，绕轴线290基本平行于重力方向旋转。然而，在海上钻探船舶(例如钻探船102)上(或在另一个海洋船舶/平台上)，轴线290的定向可以显著变化。下部轴承系统240通过轴220支撑转子210的重量。下部轴承系统240和上部轴承系统250协作以在正交于轴线290的维度上稳定轴220的位置。在一个实施方案中，下部轴承系统240和上部轴承系统250中的至少一者包括一个或多个有源磁轴承，并且至少部分地通过主动地调节有源磁轴承来使轴220的位置在正交于轴线290的维度上稳定。
下部轴承系统240包括：与底板272机械联接的一个或多个磁体242；以及与轴220(或者，替代地，转子210)机械联接的一个或多个磁体244。磁体242通过磁悬浮排斥磁体244以支撑转子210、轴220和附接到转子210和/或轴220的其他元件的重量。磁体242和244可以是永磁体。替代地，磁体244是永磁体，并且磁体242是电磁体。下部轴承系统240还包括磁轴承246，该磁轴承使轴220相对于底板272的位置在基本上正交于轴线290的维度上稳定。上部轴承系统250使轴220相对于顶板274的位置在基本上正交于轴线290的维度上稳定。轴承系统240和250在存在海上钻探船舶(例如钻探船102)上(或在另一个海洋船舶/平台上)经历的运动的情况下固定并稳定轴220和转子210。
尽管为了清楚起见未在图2中示出，但是轴承系统240和250中的每一者都包括安装在轴220以及底板272和顶板274中的相应一者上的磁体。这些磁体可以被配置为通过排斥性或吸引性磁力来相对于底板272和顶板274中的相应一者稳定轴220的位置。在一个实施方案中，磁轴承246包括有源磁轴承，并且联接到底板272的磁轴承246的磁体是电可控的电磁体或线圈，其使得能够主动控制下部轴承系统240以相对于底板272稳定轴220。在另一实施方案中，上部轴承系统包括有源磁轴承，并且联接到顶板274的上部轴承系统250的磁体是电可控的电磁体或线圈，其使得能够主动控制上部轴承系统250以相对于顶板274稳定轴220。在又一实施方案中，磁轴承246和上部轴承系统250两者均包括如上文所讨论的有源磁轴承。
图3例示了示例性磁轴承300。图3沿轴线290的观察方向示出了磁轴承300。磁轴承300是上部轴承系统250和磁轴承246中的任一者的实施方案。磁轴承300包括内部磁体单元310和外部磁体单元320。内部磁体单元310可以由一个或多个永磁体构成。在一个实施方案中，磁轴承300是无源磁轴承，并且外部磁体单元320可以由一个或多个永磁体构成。在另一实施方案中，磁轴承300是有源磁轴承，并且外部磁体单元320包括一个或多个电可控磁场源，例如一个或多个电磁体或者一个或多个线圈。当在动能发电机110中实施时，内部磁体单元310与轴220耦合，并且外部磁体单元320与底板272或顶板274耦合。内部磁体单元310和外部磁体单元320被配置为彼此吸引或排斥。借助于内部磁体单元310和外部磁体单元320关于轴线290的至少近似旋转对称性，内部磁体单元310和外部磁体单元320之间的排斥性或吸引性耦合用于稳定轴220的位置。
图4例示了另一示例性磁轴承400，其是磁轴承300的实施方案。图4沿轴线290的观察方向示出了磁轴承400。磁轴承400包括一系列内部磁体单元410(协作以形成内部磁体单元310的实施方案)和一系列外部磁体单元420(协作以形成外部磁体单元320的实施方案)。在一个实施方案中，内部磁体单元410排斥外部磁体单元420。在另一实施方案中，内部磁体单元410吸引外部磁体单元420。在某些实施方案中，磁轴承400是有源磁轴承，并且外部磁体单元420包括电可控的磁场源，例如电磁体或线圈。
图5例示了又一示例性磁轴承500，其是磁轴承300和400中的任一个的实施方案。图5以沿正交于轴线290的方向截取的剖视图(如由图3和图4中的每个图中的线5-5所指示的)示出了磁轴承500。磁轴承500包括一对或多对内部磁体单元512和514，以及一对或多对外部磁体单元522和524。内部磁体单元512和514被配置为形成闭环磁场，并且形成内部磁体单元310和410中的每一个的实施方案。外部磁体单元522和524还被配置为形成闭环磁场，并且形成外部磁体单元320和420中的每一个的实施方案。在图5所示的实施方案中，内部磁体单元512和514的闭环磁场排斥外部磁体单元522和524的闭环磁场。然而，在不脱离本发明范围的情况下，磁轴承500可以被配置为使得内部磁体单元512和514的闭环磁场吸引外部磁体单元522和524的闭环磁场。磁轴承500可以实施单个连续的内部磁体单元512、单个连续的内部磁体单元514、单个连续的外部磁体单元522和单个连续的外部磁体单元524，它们全都围绕轴线290，如图3中对于磁轴承300所示出的。替代地，有源磁轴承500可以实施一系列内部磁体单元512、一系列内部磁体单元514、一系列外部磁体单元522和一系列外部磁体单元524，其中每个系列围绕轴线290，如图4中对于磁轴承400所示出的。在某些实施方案中，磁轴承500是有源磁轴承，并且外部磁体单元522和524包括电可控的磁场源，例如电磁体或线圈。
再次参考图1，控制模块170控制每个动能发电机110的操作。控制模块170被配置为：当钻探船102处于高运动状态时，即，当钻探船102移动很多和/或处于稳定的显著倾斜时(例如在来自一个方向的强风的情况下)，在高运动模式下操作每个动能发电机110。在该高运动模式下，控制模块170限制与每个动能发电机110的能量交换，以便保持在动能发电机110的安全操作限制内。特别地，控制模块170将能量交换限制为：(a)保持在下部轴承系统240和/或上部轴承系统250的磁轴承的安全操作限制内；(b)避免损坏动能发电机110的转子210或其他结构部件；和/或(c)避免损坏动能发电机110的基础(例如，放置动能发电机110的地板或支撑件)。
磁轴承防止轴220与底板227和顶板274中的任何一者物理接触。更具体地，有源磁轴承至少部分地抵消这样的力：所述力引起轴220朝向与底板227和/或顶板274接触的方向移动。这样的力包括引起海洋船舶或平台(例如，钻探船102上的房间)移动的外力，例如波浪、洋流和风。这些力还包括由转子210的减速或加速引起的内力。
由于转子210携带的惯性矩通常较高，所以当动能发电机110受到外力或内力作用而改变轴线290的定向时，施加到动能发电机110的基础的力可能相当大。例如，与动能发电机110的削峰相关联的突然的减速和加速会对动能发电机110的基础产生相当大的力。
当钻探船102处于低运动时，磁轴承能够充分抵消内力和外力。在这种低运动状态下，控制模块170可以在低运动模式下操作每个动能发电机110，该低运动模式允许转子210以相应的最大速率减速和加速。然而，当钻探船102处于高运动状态时，磁轴承需要生成相当大的力来抵消外力，并且动能发电机110的结构部件和动能发电机110的基础两者都需要承受增大的力。在这种高运动状态下，控制模块170限制转子210的允许的减速和/或加速的程度，以便减小为抵消内力磁轴承将需要生成的力和/或减小作用在动能发电机110的结构部件以及基础上的力。这种与运动状态有关的操作可防止损坏基础，并大大降低了对磁轴承的要求。例如，在实施有源磁轴承的动能发电机110的实施方案中，与假设的有源磁轴承(其能够在海洋船舶或平台处于高运动状态时处理内力和外力)相比，对这些有源磁轴承的要求降低了。结果，与假设的有源磁轴承(其能够在海洋船舶或平台处于高运动状态时处理内力和外力)相比，动能发电机110的有源磁轴承可以更小、更便宜且更轻。
图6示意性地例示了一个示例性动能发电机600的倾斜。动能发电机600是动能发电机110的实施方案，并且具有安装在轴620上的转子610。转子610和轴620绕轴线290旋转。在图6所示的示意图中，轴线290具有相对于重力方向680的倾斜度694。在实际使用中，该倾斜度可以是静态的或动态的或其组合。在本文中，“静态倾斜度”是指基本恒定的倾斜度，例如当海洋船舶或平台受到稳定的强风作用时或者在动态发电机600以(例如由不平坦的地板引起的)永久倾斜度安装在海洋船舶或平台中时所经历的倾斜度。在本文中，“动态倾斜度”是指振荡倾斜度，或者其他规则或不规则变化的倾斜度，例如当海洋船舶或平台受到波浪作用时所经历的倾斜度。
对海上装备的普遍接受的设计要求规定，海上装备应可在达22.5度的动态倾斜度和达25度的静态倾斜度下运行。在一个实施方案中，动能发电机110被配置为匹配该普遍接受的设计要求，并且控制模块170被配置为当动态倾斜度和静态倾斜度中的任一者超过该相应限制时对动态发电机110的操作施加限制。在不脱离本发明范围的情况下，取决于例如使用场景，所述22.5度和25度的阈值可以由其他合适的阈值代替。在一种实施方式中，动能发电机110可以能够以达大约45度(例如在40度与50度之间的范围内)的倾斜度执行某种程度(可能地在降低的放电速率下)的能量生成。
图7是被配置用于在海洋船舶或平台上(例如在钻探船102上)实施的一个示例性动能发电机系统700的框图。动能发电机系统700包括动能发电机110、控制模块170和至少一个传感器720。控制模块170基于由传感器720生成的传感器信号722来确定动能发电机110的海洋船舶或平台的运动状态。基于这种确定，控制模块170对通过磁感应耦合器235进行的能量交换施加限制。例如，在双模式操作方案中，控制模块170：(a)允许磁感应耦合器235以达“正常”操作中所允许的最大速率的速率进行能量交换，以在低运动模式下操作动能发电机110；或者(b)将由磁感应耦合器235进行的能量交换的一个或两个方向限制为比低运动模式中所允许的速率低的速率，以在高运动模式下操作动能发电机110。尽管在图7中被示出为在动能发电机110的外部，但是在不脱离本发明范围的情况下，一个或多个传感器720可以集成在动能发电机110中。
在一个实施方案中，每个传感器720耦合到固定装置750、动能发电机110的另一个非转子部分或动能发电机的局部环境，例如耦合到牢靠地耦合到动能发电机110的结构。固定装置750可以包括底板272、顶板274和外壳270中的一者或多者。在该实施方案中，传感器720例如是倾斜度传感器或加速度计。在该实施方案中，控制模块170可以接收动能发电机110的倾斜度694或动能发电机110的非转子部分的其他运动特性作为传感器信号722，或者控制模块170可以处理一个或多个传感器信号722以确定动能发电机110的非转子部分的倾斜度694(或关联的参数)或其他运动特性。在传感器720是倾斜度传感器的实施方案中，传感器720可以是基于流体的倾斜度传感器或基于微机电系统(MEMS)的倾斜度传感器。动能发电机系统700可以确定静态倾斜度694或动态倾斜度694或两者。在传感器720是加速度计的实施方案中，控制模块170可以处理一个或多个传感器信号722以推断出海洋船舶或平台的运动特性。该运动特性可以是倾斜度、加速度或其他运动特性。
在另一实施方案中，传感器720是电流传感器，其测量动能发电机110的磁轴承740的一个或多个有源磁轴承742的电流。磁轴承740可以体现为下部轴承系统240和上部轴承系统742。有源磁轴承742可以被实施为磁轴承246和/或上部轴承系统250。在该实施方案中，控制模块170根据由传感器720生成的一个或多个电流测量值确定海洋船舶或平台的运动状态。例如，当测量到的电流超过阈值电流时，控制模块170可以确定海洋船舶或平台处于高运动状态。如上文所讨论的，基于对海洋船舶或平台的状态的确定，控制模块170对由磁感应耦合器235进行的能量交换施加限制。
在又一实施方案中，动能发电机系统700包括倾斜度传感器/加速度计和电流传感器的组合。
图8例示了用于操作海洋船舶或平台上的动能发电机的一个示例性的与运动状态有关的方法800。方法800可以由动能发电机系统700执行。方法800的某些实施方案可以由控制模块170执行。方法800可以在钻探船102(或另一个海上/海事船舶)上执行，如上文参考图1所讨论的。
步骤820确定海洋船舶或平台的运动状态。步骤820可以确定动能发电机的倾斜度(静态或动态)、动能发电机的非转子部分的加速度的速率、和/或与海洋船舶或平台的运动状态相关的其他参数。在步骤820的一个示例中，控制模块170从一个或多个传感器信号722确定海洋船舶或平台的运动状态，如上文参考图7所讨论的。
步骤830基于海洋船舶或平台的运动状态对动能发电机的充电和放电中的至少一者施加限制，以将动能发电机保持在安全操作范围内。在步骤830的一个示例中，控制模块170通过磁感应耦合器235对动能发电机110的充电和/或放电施加限制。
步骤830可以包括步骤832，该步骤基于海洋船舶或平台的运动状态来限制动能发电机的转子的加速和减速中的至少一者。在步骤832的一个示例中，控制模块170为转子210的加速速率和减速速率中的一者或两者限定限制。
典型地，动能发电机可以以多种模式操作，包括但不限于：(a)“启动模式”，其中转子的回转对于能量生成而言太慢(转子的减速)；(b)“就绪模式”，其中动能发电机能够至少在某种程度上放电或充电；以及(c)“禁用模式”，其中动能发电机被禁用(例如，由于不利的环境条件，诸如太高的运动)。在一个实施方案中，方法800被配置为根据海洋船舶或平台的运动状态为动能发电机限定两个或更多个离散的“就绪模式”。在该实施方案中，步骤830包括步骤834，该步骤对动能发电机的充电速率和放电速率中的一者或两者施加限制。对于充电和放电中的每一者，步骤834从对应的离散的多个速率中选择该速率限制。例如，步骤834随着海洋船舶或平台的运动变得更大而选择越来越低的速率限制。在步骤834的一个示例中，控制模块170对动能发电机110的充电和放电中的至少一者中的每一者施加从对应的离散的多个速率中选择的限制。
在另一实施方案中，方法800被配置为限定“就绪模式”的逐步进行。在该实施方案中，步骤820包括步骤822，并且步骤830包括步骤836。步骤822确定海洋船舶或平台的运动特性(例如有源磁轴承的倾斜度、加速度或电流)的值。步骤836将动能发电机的充电和/或放电限制为相应的速率，所述相应的速率是运动特性的值的渐进函数。该渐进函数可以是连续函数或平滑函数。在该实施方案的一个示例中，控制模块170：(a)在步骤822中，基于一个或多个传感器信号722确定海洋船舶或平台的运动特征值；以及(b)在步骤836中，将渐进函数应用于运动特性值以计算动能发电机110的充电速率限制，和/或将渐进函数应用于运动特性值以计算动能发电机110的放电速率限制。
在不脱离本发明范围的情况下，方法800可以实施步骤822、834和836的所有步骤。例如，方法800可以限定：与处于低运动状态的海洋船舶或平台相关联的低运动“就绪模式”；与处于高运动状态的海洋船舶或平台相关联的高运动“就绪模式”；以及低运动和高运动“就绪模式”之间的逐渐过渡。
在某些实施方案中，步骤830包括步骤842、844和846中的一个或多个，并且当步骤820确定海洋船舶或平台处于高速运动状态时(例如，当有源磁轴承的倾斜度、加速度或电流超过阈值时)执行这些步骤中的一个或多个。步骤842禁用动能发电机的充电。在步骤842的一个示例中，控制模块170防止通过磁感应耦合器235对动能发电机110充电，以避免由转子210的关联加速生成的力。步骤844限制动能发电机的削峰能力。在步骤844的一个示例中，控制模块170降低允许的由磁感应耦合器235进行的能量交换的速率。步骤844可以完全禁用由动能发电机进行的削峰。步骤846允许稳定的负载支持。步骤846可以允许动能发电机的紧急操作来替换一个或多个禁用的燃烧式发电机。在步骤844的一个示例中，控制模块170通过磁感应耦合器235使动能发电机110放电，以支持如由功率管理系统160所指示的相对稳定的负载。步骤846的放电速率可以被限制为小于步骤836的放电速率。
在一个实施方案中，方法800还包括监测海洋船舶或平台的至少一个运动特性的步骤810。在步骤810的一个示例中，一个或多个传感器720测量海洋船舶或平台的运动特性，如上文参考图7所讨论的。步骤810可以包括步骤812、814和816中的一个或多个。步骤812感测动能发电机的倾斜度。在步骤812的一个示例中，一个或多个传感器720测量倾斜度694或相关参数，如上文参考图7所讨论的。步骤814感测动能发电机的非转子部分的运动。在步骤814的一个示例中，一个或多个加速度计(传感器720的实施方案)测量动能发电机110的海洋船舶或平台的加速，如上文参考图7所讨论的。步骤816感测动能发电机的一个或多个有源磁轴承的电流。在步骤816的一个示例中，传感器720测量有源磁轴承740的电流，如上文参考图7所讨论的。
应当理解，方法800可以同时和/或重复地执行步骤810、820和830，以连续地或有规律地重新评估海洋船舶或平台的运动状态，并根据海洋船舶或平台的运动状态的变化对动能发电机的操作施加限制。在一个实施方案中，步骤830仅在以下情况之后才施加不同的限制：海洋船舶或平台已经处于与该不同的限制相关联的运动状态达特定的时间段。该实施方案防止了在临界条件下不同的操作模式之间的频繁切换。在不脱离本发明范围的情况下，可以根据手动用户输入来启动步骤830。例如，用户可以迫使步骤830执行步骤842、844和846中的一个或多个。
图9例示了一种示例性控制模块900，该控制模块用于海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作。控制模块900是控制模块170的实施方案。控制模块900能够执行方法800的步骤820和830。
控制模块900包括处理器910、非暂时性存储器920和接口990。存储器920包括机器可读指令930，其可选地被编码在存储器920的非易失性部分中。机器可读指令930包括状态评估指令932和操作指令934。存储器920还可以包括存储操作参数的参数存储装置940。另外，存储器920可以包括数据存储装置950，该数据存储装置存储通过接口990从传感器270接收的一个或多个传感器信号722。
在操作中，处理器910执行状态评估指令932以处理通过接口990接收的传感器信号722，从而确定海洋船舶或平台的运动状态。处理器910由此执行方法800的步骤820的示例。状态评估指令932的执行可以包括将测得的倾斜度与从参数存储装置940检索的静态倾斜度限制944(或离散的多个静态倾斜度限制944)或动态倾斜度限制946(或离散的多个静态倾斜度限制944)进行比较。替代地或与其组合，状态评估指令932的执行可以包括将另一个测得的运动特性与从参数存储装置940检索的运动限制944进行比较。该运动特性是例如动能发电机110的非转子部分的加速或动能发电机110的有源磁轴承的电流。
接下来，处理器910执行操作指令934以基于运动状态对动能发电机的充电和放电中的至少一者施加限制，从而将动能发电机保持在安全操作范围内。为此，处理器910可以从参数存储装置940中检索一个或多个操作参数。例如，操作指令934可以被配置为基于海洋船舶或平台的运动状态从参数存储装置940检索多个放电速率限制942(和/或类似的充电速率限制)中的一个。在另一示例中，操作指令934被配置为从参数存储装置940检索放电功能944和充电功能946中的一者或两者，并将每个这样的功能应用于通过执行状态评估指令932确定的运动特性值，以便确定动能发电机的对应的放电速率和充电速率限制中的一者或两者。处理器910执行操作指令934是方法800的步骤830的实施方案。处理器910执行操作指令934的步骤还可以包括通过接口990将控制信号传送到磁感应耦合器235(或关联电路)。
在一个实施方案中，参数存储装置940包括时间常数960，并且状态评估指令932被配置为：(a)处理传感器信号722的时间序列；以及(b)仅在以下情况时才施加不同的限制：证实从处理传感器信号722的时间序列开始，海洋船舶或平台已经处于与该不同的限制相关联的状态达与时间常数948相对应的持续时间。
在一个实施方案中，控制模块900被配置为在通过接口990接收用户输入时，基于由用户输入指示的运动状态来执行操作指令934。
在不脱离本发明范围的情况下，控制模块900可以至少部分地以固件来实施。同样在不脱离本发明范围的情况下，机器可读指令930以及可选地一些或全部或参数存储装置940可以被提供为与第三方处理器和接口一起使用的独立软件产品。
图10例示了用于操作海洋船舶或平台上的动能发电机的一种示例性双模式方法1000。方法1000可以由动能发电机系统700执行。方法1000的某些实施方案可以由控制模块170执行。方法800可以在钻探船102(或另一个海上/海事船舶)上执行，如上文参考图1所讨论的。方法1000是方法800的实施方案。
步骤1020确定海洋船舶或平台是否处于高运动状态。步骤1020类似于步骤820，不同之处在于，其限于海洋船舶或平台的仅两个可能的运动状态，即高运动和低运动。如果步骤1020确定海洋船舶或平台处于高运动状态，则方法1000进行到步骤1040。如果步骤1020确定海洋船舶或平台未处于高运动状态，则方法1000进行到步骤1030。步骤1030和1040协作以形成步骤830的实施方案，并且可以由控制模块170执行。
步骤1030允许当海洋船舶或平台在低运动模式下操作动能发电机。步骤1040允许在高运动模式下操作动能发电机。与步骤1030相比，步骤1040限制了动能发电机的一些功能，以便在与处于高运动状态的海上环境相关联的增大的力存在的情况下保持在动能发电机的安全操作限制内。步骤1040可以限制动能发电机的这样的功能，以便：(a)保持在动能发电机的有源磁轴承的安全操作限制内；和/或(b)避免损坏动能发电机的结构部件和动能发电机的基础。
在一个实施方案中，步骤1030允许动能发电机的转子的加速和减速分别达到至少第一加速限制和第一减速限制，而步骤10450将转子的加速和减速分别限制为第二加速限制和第二减速限制，其中第二加速限制和第二减速限制中的至少一者小于对应的第一加速限制和第一减速限制。
步骤1030可以包括步骤1032、1034和/或1036。步骤1032允许对动能发电机进行充电。在步骤1032的一个示例中，控制模块170允许通过磁感应耦合器235对动能发电机110进行充电(转子210的加速)。步骤1034允许在动能发电机的正常削峰能力下进行峰削。在步骤1034的一个示例中，控制模块170允许磁感应耦合器235快速使转子210减速(使动能发电机110放电)，并且可选地快速使转子210加速(使动能发电机110充电)，以执行如由功率管理系统160所指示的削峰。步骤1036允许以动能发电机的正常放电速率支撑负载。在步骤1036的一个示例中，控制模块170允许通过磁感应耦合器235对动能发电机110放电(使转子210减速)，以支持如由功率管理系统160所指示的相对稳定的负载。例如，当一个或多个燃烧式发电机120被禁用并且需要动能发电机110作为紧急发电机时，可以实施步骤1036。
步骤1040可以包括步骤842、844和/或846，如上文参考图8所讨论的。
在某些实施方案中，方法1000还包括步骤810，如上文参考图8所讨论的。
应当理解，方法1000可以同时和/或重复地执行步骤810、1020、以及步骤1030和1040中的一个，以连续地或规则地重新评估海洋船舶或平台的状态，并且相应地在低运动模式和高运动模式之间切换。在一个实施方案中，步骤1020仅在以下情况之后才允许从低运动模式和高运动模式中现有的一者切换到低运动模式和高运动模式中的另一者：海洋船舶或平台已经处于与低运动模式和高运动模式中的另一者相关联的状态达一定的时间段。该实施方案防止了在临界条件下的频繁切换。在不脱离本发明范围的情况下，步骤1020可以基于手动用户输入在步骤1030和1040之间切换。
图11例示了用于海洋船舶或平台上的动能发电机的双模式操作的一个示例性控制模块1100。控制模块1100是控制模块170的实施方案。控制模块1100能够执行方法1000的步骤1020、1030和1040。
控制模块900包括处理器910、非暂时性存储器1120和接口990。存储器1120包括机器可读指令1130，其可选地被编码在存储器1120的非易失性部分中。机器可读指令1130包括状态评估指令1132、低运动模式操作指令1134和高运动模式操作指令1136。存储器1120还可以包括存储操作参数的参数存储装置1140。另外，存储器1120可以包括数据存储装置950。
在操作中，处理器910执行状态评估指令932以处理通过接口990接收的传感器信号722，从而确定海洋船舶或平台处于低运动状态还是处于高运动状态。处理器910从而执行方法1000的示例步骤1020。状态评估指令1132的执行可以包括将测得的倾斜度与从参数存储装置940检索到的静态倾斜度限制944或动态倾斜度限制946进行比较。如果海洋船舶或平台处于低运动状态，则处理器910执行低运动操作指令1134以允许在低运动模式下操作动能发电机110。为此，处理器910可以通过接口990将控制信号传送到磁感应耦合器235(或关联电路)。处理器910执行低运动模式指令1134是方法1000的步骤1030的示例。如果海洋船舶或平台处于高运动状态，则处理器910执行高运动操作指令1136以允许在高运动模式下操作动能发电机110。为此，处理器910可以通过接口990将控制信号传送到磁感应耦合器235(或关联电路)。在一个实施方式中，高运动操作指令936的执行包括：从参数存储装置940检索最大放电速率942，并且将对应的控制信号发送到磁感应耦合器235(或关联电路)以限制动能发电机110的放电速率。处理器910执行高运动模式指令1136是方法1000的步骤1040的示例。
在一个实施方案中，参数存储装置1140包括时间常数1148，并且状态评估指令1132被配置为：(a)处理传感器信号722的时间序列；以及(b)仅在以下情况时才从低运动模式和高运动模式中现有的一者切换到低运动模式和高运动模式中的另一者：证实从处理传感器信号722的时间序列开始，海洋船舶或平台已经处于与低运动模式和高运动模式中的另一者相关联的状态达与时间常数1148相对应的持续时间。
在一个实施方案中，控制模块1100被配置为在通过接口990接收用户输入时，根据用户输入执行低运动模式操作指令1134或高运动模式操作指令1136。
在不脱离本发明范围的情况下，控制模块1100可以至少部分地以固件来实施。同样在不脱离本发明范围的情况下，机器可读指令1130以及可选地一些或全部或参数存储装置1140可以被提供为与第三方处理器和接口一起使用的独立软件产品。
在不脱离本发明范围的情况下，可以在以上系统和方法中进行改变。因此应注意，以上描述中所包含的以及所附附图中所示出的内容应解释为例示性而非限制性的含义。所附权利要求旨在覆盖本文所述的一般和特定特征以及本系统和方法的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。

Claims (29)

1.一种用于操作海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的方法，所述动能发电机被配置为
(a)将供应给所述动能发电机的电能转换为所述动能发电机的转子的动能，以及
(b)当需要从所述动能发电机输出电能时，将所述转子的存储的动能转换为电能，
所述方法包括：
确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态；以及
基于所述运动状态对所述动能发电机的充电和放电中的至少一者施加限制，以将所述动能发电机保持在安全操作范围内。
2.如权利要求1所述的方法，所述施加步骤包括：基于所述运动状态，限制所述动能发电机的转子的加速和减速中的至少一者。
3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，所述施加步骤包括：针对所述动能发电机的充电和放电中的至少一者中的每一者，施加从对应的离散的多个速率中选择的限制。
4.如权利要求1所述的方法，其包括：
在所述确定步骤中，确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的值；以及
在所述施加步骤中，将所述动能发电机的充电和放电中的至少一者的速率限制为作为所述运动特性的值的渐进函数的速率。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，所述施加步骤包括：当所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，执行以下操作中的至少一者：(a)禁用所述动能发电机的充电；以及(b)限制所述动能发电机的削峰能力。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，所述施加步骤包括：当所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，允许所述动能发电机以所述转子的被限制为比所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于较小运动状态时所允许的对应的减速速率小的减速速率支持负载。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其还包括：监测所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的至少一个运动特性。
8.如权利要求7所述的方法，所述施加步骤包括：基于所述监测，自动改变所述动能发电机的操作模式。
9.如权利要求8所述的方法，所述自动改变步骤包括：在监测步骤的预定持续时间内一致地感测到所述至少一个运动特性与所述动能发电机的另一个操作模式相关联时，从所述动能发电机的当前操作模式进行改变。
10.如权利要求6至9中任一项所述的方法，所述监测步骤包括：感测动能发电机的非转子部分和动能发电机的局部环境中的至少一者的运动或倾斜角。
11.如权利要求7至10中任一项所述的方法，所述监测步骤包括：测量有源磁轴承的电流。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其包括：
在所述确定步骤中，将所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的静态倾斜度和动态倾斜度与相应阈值进行比较；以及
在所述施加步骤中，当所述静态倾斜度和所述动态倾斜度中的至少一者超过其阈值时，将所述动能发电机的充电和放电中的至少一者限制为比与均低于其各自的阈值的所述静态倾斜度和所述动态倾斜度相关联的对应速率小的速率。
13.一种用于海洋船舶或平台海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作的控制系统，其包括：
处理器，所述处理器被配置为通信地耦合到所述动能发电机；
接口，所述接口与所述处理器通信地耦合，用于接收指示所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的传感器信号；和
非暂时性存储器，所述非暂时性存储器包含机器可读指令，所述机器可读指令在
由所述处理器执行时执行以下步骤：
(a)处理所述传感器信号以确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态，以及
(b)基于所述运动状态对所述动能发电机的充电和放电中的至少一者施加限制，以将所述动能发电机保持在安全操作范围内。
14.如权利要求13所述的控制系统，所述机器可读指令被配置为：在由所述处理器执行时并且当所述处理确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，禁用所述动能发电机的充电。
15.如权利要求13和14中任一项所述的控制系统，所述非暂时性存储器还包括多个放电速率限制，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时并且基于所述运动状态来将所述动能发电机的放电速率限制为所述放电速率限制中的一个。
16.如权利要求13和14中任一项所述的控制系统，所述非暂时性存储器还包括以下中至少一者：(i)根据所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的值对放电速率限制进行限定的放电功能；以及(ii)根据所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动特性的值对充电速率限制进行限定的充电功能，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时处理所述传感器信号以确定所述运动特性的值，并应用所述放电功能和所述充电功能中的至少一者以施加所述放电速率限制和所述充电速率限制中的至少一者。
17.如权利要求13至16中任一项所述的控制系统，所述非暂时性存储器还包括至少一个倾斜度限制，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时处理所述传感器信号以确定所述动能发电机的倾斜度，并且基于将所述倾斜度与所述至少一个倾斜度限制进行比较来确定所述动能发电机的充电和放电中的至少一者。
18.如权利要求17所述的控制系统，所述至少一个倾斜度限制包括静态倾斜度限制和动态倾斜度限制，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时：(i)处理所述传感器信号以确定所述动能发电机的静态和动态倾斜度两者；以及(ii)当所述静态倾斜度和所述动态倾斜度中的至少一者分别超过所述静态倾斜度限制和动态倾斜度限制时，将所述动能发电机的充电和放电中的至少一者限制为比与均低于其各自的阈值的所述静态倾斜度和动态倾斜度相关联的对应速率小的速率。
19.如权利要求13至18中任一项所述的控制系统，所述非暂时性存储器还包括时间常数，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时，在与所述时间常数相对应的持续时间内一致地感测到所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的至少一个运动特性与所述动能发电机的另一个操作模式相关联时，从所述动能发电机的当前操作模式改变操作模式。
20.如权利要求13至19中任一项所述的控制系统，所述接口还被配置为接收请求从所述低运动模式切换到所述高运动模式的用户输入，所述机器可读指令被配置为在由所述处理器执行时当接收到所述用户输入时将所述动能发电机的操作切换到所述高运动模式。
21.一种用于海洋船舶或平台海洋船舶或平台上的动能发电机的与运动状态有关的操作的动能发电机系统，其包括：
一个或多个动能发电机，所述一个或多个动能发电机包括转子和磁感应耦合器，所述磁感应耦合器能够：(a)使所述转子的旋转加速，以将电能转换为存储在所述一个或多个动能发电机中的动能；以及(b)使所述转子的旋转减速，以从存储的动能生成电能；
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于生成一个或多个传感器信号，所述一个或多个传感器信号指示所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的至少一个运动特性；和
控制模块，所述控制模块用于：(a)基于所述一个或多个传感器信号，确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台的运动状态；以及(b)基于所述运动状态对所述加速的速率和所述减速的速率中的至少一者施加限制，以将所述一个或多个动能发电机保持在安全操作范围内。
22.如权利要求21所述的动能发电机系统，所述至少一个传感器包括倾斜度传感器，所述倾斜度传感器耦合到所述一个或多个动能发电机的非转子部分或者定位在所述动能发电机的局部环境中。
23.如权利要求21和22中任一项所述的动能发电机系统，所述至少一个传感器包括加速度计，所述加速度计耦合到所述一个或多个动能发电机的非转子部分或者定位在所述动能发电机的局部环境中。
24.如权利要求23所述的动能发电机系统，所述加速度计和所述控制模块被协作地配置为确定所述一个或多个动能发电机的所述非转子部分的倾斜度或者定位在所述动能发电机的局部环境中。
25.如权利要求21至24中任一项所述的动能发电机系统，所述一个或多个动能发电机还包括：固定装置；用于保持所述转子的轴；以及用于使所述轴稳定在所述固定装置中的有源磁轴承，所述至少一个传感器包括电流传感器，所述电流传感器用于测量所述有源磁轴承的电流。
26.如权利要求25所述的动能发电机系统，所述控制模块被配置为基于由所述电流传感器测量的电流来确定所述运动状态。
27.如权利要求21至26中任一项所述的动能发电机系统，所述控制模块被配置为当确定所述海洋船舶或平台海洋船舶或平台处于高运动状态时，通过所述磁感应耦合器来禁用所述加速。
28.如权利要求21至27中任一项所述的动能发电机系统，所述控制模块被配置为基于所述运动状态来限制所述减速的速率。
29.一种微电网发电系统，其包括：
电力总线；
一个或多个燃烧式发电机，所述一个或多个燃烧式发电机电耦合到所述电力总线；以及根据权利要求21至28中任一项所述的一个或多个动能发电机系统，每个所述动能发电机系统包括一个或多个动能发电机，所述一个或多个动能发电机能够：(a)将存储在其中的能量传递到所述电力总线；以及(b)将来自所述电力总线的能量以动能形式存储。
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