CN114600331A - 用于海洋船只的能量存储系统和电源系统 - Google Patents

Abstract

适于改装到电源系统中的能量存储系统以及与此相关的方法和电力分配系统。电源系统包括至少两个分离式电力系统部分，每个部分构成冗余组，每个冗余组都包括AC开关板和适于向开关板产生电力的发电机和/或从所述开关板汲取电力的耗电装置中的至少一个。能量存储系统被配置为耦合到该至少两个冗余组的每一个中的AC开关板，该单元构成公共和自主的能量存储系统，能量存储系统包括能量管理系统，能量管理系统适于在能量存储系统和冗余组之间和/或通过能量存储系统在冗余组之间分配附加电力，从而提供附加的分离式电源。

Description

用于海洋船只的能量存储系统和电源系统

技术领域

本发明涉及改装用于包括至少两个冗余组的电源系统的能量存储系统，以及涉及用于分配电力、特别是用于在海洋船只中分配电力的相应的能量存储和电力分配系统和方法。

背景技术

大量船只、新建船和改装候选物都被设计为混动的，以降低操作成本(燃料和维护)和排放。混动船只通常通过更优化地用更少的发动机操作来降低燃料消耗和操作成本。为了冗余和限制必须在线和准备补偿发动机和/或推进单元的不希望的负载波动的附加发动机的数量，引入了混动解决方案。当然，附加的在线发动机降低了发动机利用率和效率。在WO2016/150815和EP3035477中描述了几种这样的系统。

在配备有冗余电源系统的船只(例如动力定位的船只)上改装能量存储系统增加了许多新的实现问题。

像动力定位船只那样的具有冗余要求的船只历来被设计和构造成具有由两个或更多个冗余组构成的电气系统。冗余对于船只在失去一个冗余组后必须能够保持定位的情形下进行海上作业是必要的。对于这些冗余组，在典型地被设计用于分离式操作的情形下，每个电力系统典型地配备有发电、电气开关装置和用于推进单元的驱动器。分离式操作是确保一个冗余组或电气系统中的故障不会传播到其它冗余组或电气系统的最安全的手段。

近年来，为了降低操作成本和排放，越来越多的新建船被设计和操作用于使用电互连的冗余组操作。闭合每个冗余组或系统之间的互连母排断路器通常被称为“闭合母排”或“闭环”操作。将所有冗余组作为一个优化的发电装置运行提供了多种益处，特别是对于柴油发动机的运行。例如，所有发动机共享负载波动并且没有不均匀的负载分布。在故障的情况下，可以最佳地分配和利用剩余的发动机动力。通常，在每个发动机以较高的利用率运行的情形下，灵活的发电装置利用率允许运行更少的发动机。因此节省了燃料、排放物和维护。

如US009083177B2中所述，监管机构、船级协会、供应商、以及船只操作员和船只承包商的群体已经致力于开发如何设计和测试船只系统的方法和条件，以便允许使用闭合母排进行安全操作。尽管付出了努力并降低了风险，但仍然存在事故风险，部分是由于初始设计或修改中的错误，或系统的错误操作(人为错误)。一些船只的承包商和操作员仍然不愿意在需要冗余的关键操作中允许闭合母排。此外，大多数运行中的船只在建造时并非设计用于闭合母排操作。升级和测试船只的所有设备和系统以便最终批准闭合母排操作的成本和时间可能证明太高了。因此，大多数船只可以以更高的燃料和排放为代价继续用分离式电力系统进行操作。

在海上工业中减少燃料和排放物的类似趋势是安装能量存储单元。能量存储单元，不管存储介质是飞轮、电池还是高功率电容器，通常用于补充传统内燃机的使用。对于在设计中需要冗余的船只，能量存储用于两个主要目的。

首先，能量存储器可用作“旋转备用”，这意味着所存储的能量可用于在故障的情况下向系统的消耗装置提供电力。这不是以运行发动机的形式具有多余的发动机容量，而是在一个系统发生故障的情况下准备承担附加的负载。即例如：电池将构成化学能储备代替内燃机用于“旋转”备用。在所存储的能量用作旋转备用的情况下，每个发动机可以在需要启动附加的发动机之前被施加更高地负载。平均起来，将需要更少的发动机来运行，这增加了每个发动机的效率，这又减少了燃料的排放和维护的成本。

其次，能量存储可以提供“调峰”能力。船只的耗电将随着操作和环境而变化。即例如：将船只保持在适当位置的两个推进单元以及操作的过程设备将导致功率波动。与内燃机不同，来自例如电池的存储能量可以几乎立即提供电力。这允许过程和推进设备更快地上升，但更重要的是卸载发动机上的机械应力。高功率波动传统上意味着更多的发动机来处理负载变化。当通过能量存储来补充时，可以用较少的发动机来实现相同的功率波动(避免启动附加的发动机)。因此，通过较少的发动机运转和增加每个发动机的效率，将减少燃料的排放和维护的成本。

能量存储系统对于新建船只通常是经济上可行的，在这种情形下能量存储系统可以结合到动力和推进装置设计中。储能系统的引入可能有助于将总装机功率降低到超重，甚至降低总体成本。

当考虑改装能量存储系统时，典型的挑战是电池的高成本和空间、重量以及在升级和安装工作期间无收入的时间。因此，通过改装的能量存储系统减少排放的关键是减少升级的时间和总成本。

现有技术示出了将能量存储系统改装成具有冗余设计的船只的各种方法。

最常见的方法是为船只的每个冗余组安装一个能量存储系统。这是一种安全和保守的方法。被认为是最佳的方法因船而异，然而，这种方法的缺点通常是高成本、空间、重量和修改的影响。为了说明，对于具有两个冗余组的船只，该冗余组中的出故障的一个(例如主开关板的短路)也将导致两个连接的能量存储系统中的一个的损失。因此，与在损失主冗余组的同时不损失任何能量存储容量的解决方案相比，需要两倍的电池容量。现有开关设备中的附加断路器将被安装以将每个能量存储系统连接到配电系统。其次，多个能量存储系统通常需要多个电池室，这又增加了升级在空间、重量和时间方面的影响。

一种更复杂的方法是将整个现有的发电装置升级为能够以闭合母排操作。由此可以添加新的开关板部分，能量存储系统连接到开关板部分。如果被正确地设计、批准和操作，这种升级的动力及推进设备可以从单个自主的中央能量存储系统支持中获得相同的益处。因此，不会在损失主冗余组的同时损失能量存储容量。这允许消除能量存储系统的过剩容量并由此减小空间、重量和成本。然而，这通常需要仔细审查现有船只，并且通常需要对以下进行复杂升级：电气系统(开关设备、保护继电器、电压调节)；电气驱动器；系统研究；电力管理系统；DP后果分析器；UPS，通风；冷却系统以及可能的火灾和水淹分离。

此外，对于所有者或船只承包商要求船只以分离的、开式母排进行操作的情形下的操作，这种中央能量存储系统只能连接到并支持冗余组之一。因此，排放减少量和偿还时间都是不确定的，并且都是以闭合母排运行为条件的。结果，这种升级的成本、风险和复杂性使许多这种升级无法实现。

第三种方法可以是考虑将中央能量存储系统连接到两个驱动器的DC母线，在这种情形下这些驱动器属于两个不同的冗余组。这可以是用于推进器、钻孔、绞盘等的驱动器。这种解决方案在EP3035477中有所描述。假设正确的设计和操作，共享能量存储系统可以部分地支持两个冗余组。然而，该解决方案必须基于主动前端驱动器。绝大多数船只具有利用主开关板和驱动器的DC链路之间的二极管整流器的驱动器，因此电力只能流向驱动器，而不能从驱动器流回到主电网。这种能量存储系统将具有非常有限的调峰能力。此外，在主冗余组的引擎故障的情况下，能量存储系统将不提供临时桥接av电力中断的关键功能，直到主电力可恢复或操作安全地终止。随着主电力的损失，供给所有辅助设备的所有电力将被损失。因此，如果能量存储系统连接到两个推进器驱动器的DC链路，辅助电力的缺乏将导致冗余组的所有发动机和推进器断开，尽管理论上具有部分动力来驱动推进器的推进马达。

如上所述，大多数船只不适合于如EP3035477中所描述的改装解决方案，因为它对于电气系统来说不被认为是自主的和容错的。对于其它辅助系统如控制电源(UPS)、冷却系统等，同样必须确保和记录相同水平的容错。

这种能量存储系统的电力是有限的并且专用于所连接的推进器，并且不能由船只的动力定位系统自由分配。因此，电力很可能不被船级协会认可为“旋转备用”。由于对调峰和旋转备用的限制，该方法显示出边际利益和潜力。

传统的基于混合的系统通常被添加为能量存储系统(ESS)包，并且控制方法将能量管理系统(EMS)上的控制向ESS包降低。当这种控制方法涉及如何优先化来自发电机和电池的电力流时，由于公共链路是频率和电压，所以可能导致若干挑战。仅基于频率和电压来控制能量流通常将限制ESS利用的灵活性，并导致次优操作。

如果固定规则决定何时停止以及何时从电池或发电机输送电力，则在系统中将存在一些限制。典型地，在发电装置中，将存在消耗装置负载控制系统，其将减少/限制电力并将电力分配给不同的重型消耗装置。如果电池EMS没有关于不同的消耗装置限制或它们之间的优先级划分的信息，则通常可能存在一些将不被使用的隐藏电力储备，因为消耗限制必须在减速系统之前设置。如果这些限制是已知的以及是当减速系统降低一些消耗装置时用于您的推进器的储备的可用性，则需要较小的安装电池来应对这些挑战。

发明内容

因此，本发明的其它目的是

-改装连接到多个冗余(两个或更多个)组的能量存储系统，但对现有船只具有最小的影响(成本、空间、重量和停火时间)。具体地，本发明被设计成能够安装在一个位置(例如，火灾和水淹区域)，典型地安装在甲板上的集装箱中，或者如果空间允许的话，集成到船体中。

-采用混合动力的其他好处，本发明提供与使用闭合母排操作类似的好处，即使对于未被设计或批准用于使用闭合母排操作的船只也是如此。然而，实现这一目标无需花费时间和成本进行复杂的升级，也无需评估和升级所有现有的公用事业系统和获得船级社批准以使用闭合母排操作所需的文件。

-独立于动力和推进系统配置的日常变化，或操作模式(操作员干预)。具体地，连接主冗余组的母排连接可以是断开和闭合的，而对ESS没有任何动作。这与需要用于动力和推进系统的各种配置的分配切换的ESS系统相反。因此，本发明减少了操作处理和操作员的人为错误的风险。

本发明的一个目的是解决或限制现有技术中对能量存储系统的一些限制，该能量存储系统被改装成使用构成绝大部分现有DP船只的分体式母排操作的船。如在所附权利要求中指定的那样实现该目的。

本发明通过使用能够将电力分配给可以在现有船只中实现的多个冗余组的公共自主能量存储介质来提供这一点。

本解决方案还提高了发电装置的鲁棒性。这是因为能量存储系统(ESS)可以补偿两个或多个主冗余组的可能的不均匀负载分布，即使当这些主开关板之间的母排断开时。因此，能够在不闭合主开关板的母排的情况下将电力从一组传送到另一组。本发明还提供了在主开关板断开的情况下操作的可能性，但是具有当涉及从在线发电机获得备用容量和电部段之间的能量流时作为闭合母线系统的优点。

本发明还提供了优于其它实现的系统益处的益处，这些益处类似于将多个常规能量存储系统以及使用闭合母排的操作进行组合－甚至对于未被设计和批准用于闭环操作的船只，例如

·在发动机动力损失的情况下将动力从一组传递到另一组，例如通过桥接暂时的动力中断来防止部分中断，直到使另一发动机在线。

·单个电池(ESS系统的最大和最昂贵的部分)可以通过ESS服务于多个冗余组，其中ESS具有到冗余板的开关板的AC连接。

·容错设计，因此在主冗余组发生故障的情况下不会损失电池容量。因此，电池容量得以降低(集装箱/空间、重量、成本)。

·只有一个位置和电池室，降低了改造的复杂性、成本、时间和重量。

·与现有技术解决方案不同，本发明可以在两个冗余组的母排电缆之间互连，从而在次配电板级上重复使用母排电缆和断路器。这将减少对现有设备的所需修改，因为不需要额外的断路器。电力仍然可以通过ESS在冗余组之间传递，并且改进的ESS可以连接在最接近预期电池室位置的开关装置处，以最小化电缆修改。

·利用现有A和B冷却系统的备用容量，类似于每个现有系统具有专用ESS的传统ESS改装。2×100％(A+B)冷却系统构成到新系统(C)的冷却器和新的闭环冷却装置中的冗余馈送。

·如果本发明连接到两个以上的冗余组，则该系统仅需要从两个现有的淡水冷却系统供应。

·即使在用开式母排操作时，在多个冗余组之间的电力的最优控制和分配。

附图说明

下面将参照附图描述本发明，附图以示例的方式示出了本发明。

图1说明了现有技术。

图2说明了具有三个冗余组的本发明的实施例。

图3说明了具有两个冗余组的本发明的实施例。

图4说明了将根据本发明的能量存储系统改装到现有系统中。

具体实施方式

如图1所示，根据现有技术的系统由多个冗余组3构成，每个冗余组包括至少一个发电机1。在所示的示例中，有两个发电机1、2，其中一个是活动的1，而在所示的示例中的第二个2不是活动的，但是如果主发电机1停止或具有减小的容量，则可以启动。此外，至少两个冗余组可以包括能量存储系统(ESS)4，其能够减小负载波动并处理过渡周期，例如在辅助发电机启动时提供电力。

冗余组3还包括耗电装置5，例如作为船只推进系统的马达。在附图中，消耗装置被简单地图示为推进器。

如图所示，冗余组具有连接每个组中的单元的单独的开关板6，但是可以在提供有保护(如本领域公知的，以避免错误传播通过系统)的组之间提供开关或母排7。如果打算用闭合母排来操作，则故障保护系统本身例如如EP2654157中所描述的，并且将不在此详细讨论。然而，如前所述，被认为是用能量存储器升级的大多数操作船只没有被设计和批准用于使用闭合母排操作。

由于在如图1所示的系统中发生故障之后，一个ESS单元4也将损失，因此每个ESS将需要比不发生ESS损失(n－1<n)时更高的组合额定值(kWh)。由于安装了更多的能量(kWh)，因此增加了设备的成本、空间和重量。最小化设备的空间和重量是大多数新建船只的重要目标。在改装的情况下，增加的设备、空间和修改工作进一步导致更多的停火时间。

根据图2和图3说明的本发明的实施例包括ESS，该ESS包括电池管理系统(BMS)11，电池管理系统耦合到能量管理系统(EMS)12，能量管理系统通过ESS转换器型配电板13(下文称为ESS配电板)控制到多个冗余组的能量分配，在这种情形下每个冗余组具有电力管理系统(PMS)14，电力管理系统能够控制冗余组中的发电机和消耗装置，并用于报告和请求来自EMS的附加电力。

ESS配电板13优选包括通过ESS中的DC/AC转换器连接到冗余组3的AC开关板6的DC系统和到冗余组开关板6的AC连接器。可选地，ESS和每个冗余组之间的AC连接器将包括适当的变压器以及冗余组中的保护装置。在图2中，变压器18位于冗余组中，但在图3中其位于ESS中。如果解决方案是提供在集装箱中等中，则改装的变压器的优选位置将取决于船只上的可用空间。

在图4中示出了改装中，根据现有技术的系统在左侧被示出，包括在两个冗余组3之间的两个母排7。在右边，ESS 4通过连接器16连接在母排的一个上。这是相当简单的操作，并且还使得可以将完整的ESS保持在单独的冗余组中成为可能。ESS组可以自主地向耦合到泵、UPS等的辅助开关板提供电力。

所有辅助系统的自主性包括专用转换器，用于通过专用辅助开关板15向ESS冗余组的辅助设备供电，或者潜在地通过从两个主冗余组/开关板馈送来复制电力和消耗装置来实现该自主性。

将电力分配器放置在现有的母排的链路中(例如放置在ESS中以避免扩展和修改现有的开关装置)提供了本发明的另一个优点。

因此，通过ESS和冗余组之间的AC连接器，系统可以既从能量存储器向冗余组供电，又可以向能量存储器或辅助设备输送电力。该系统还包括图中未示出的有线或无线通信系统，用于报告系统中关键部件的状态，使得系统或操作员能够根据报告的需要分配电力。所选择的通信系统可以取决于原始系统中的实现以及改装操作。

详细地，EMS可以被认为由两层组成，顶层EMS和能量控制系统(ECS)。

EMS为船只的每个操作模式定义动力和推进装置的设置，例如所需的发动机数量，起动和停止发动机的阈值等。

因此，能量管理系统包括控制所有能量流的能量控制系统(ECS)。ECS系统与EMS集成在一起，在这种情形下如何运行最优化方式的成本函数和操作模式被选择并传送到ECS层。ECS层通常可以基于多驱动器或交换机段的数量来复制。EMS将从电池管理系统(BMS)获得信息，以便能够以安全和有效的方式控制电池。EMS系统将典型地与操纵系统/DP系统对接，以在推进器/推进单元上获得电力的最佳分配，这将再次给出优化多驱动单元之间的电力流的基础。

最优的推进器分配和最优的负载分担典型地通过闭合母线操作来实现，其中段和发电机之间的电力流是自由的和不受限制的。更多的能量将以最小的电力损耗传递。

为了满足具有DP2/DP3符号的船只的船级规则，需要隔离一个冗余组中的故障，因此不传播到任何其它冗余组。因此，就常见故障保持冗余组分离的最安全和最容易的方式是使母排断路器断开以分离冗余组。

然而，通过闭合主交换机上的母排来互连冗余组意味着若干挑战：

1.由于短路电平，在线发动机的最大数量可能受到限制。因此，可能需要对电气系统的配置进行一些改变以改变到分离模式操作。

2.必须应用先进的电气保护方案以确保一个冗余组上的故障不会传播到另一个冗余组。这可能是复杂且昂贵的，并且对于初始安装之后的升级甚至更具有挑战性。

3.必须应用先进的控制保护方案来防止发动机控制故障。由2个或更多连接的发电机组成的AC发电装置系统在它们并行操作时将总是具有一些挑战。或者在同一开关板部段上，或者在每个所连接的开关板部段上的一个发动机。由于AC系统将在所连接的发电机之间具有公共频率，所以负载分担将受到系统上的速度控制器或电压控制器上的故障的影响。为了处理这种类型的故障，可以安装保护系统，或者关闭有故障的发动机，或者通过以分离配置方式操作开关板部段来完全消除像这样的常见故障的可能性。

在控制方面，所说明示例中的电池安全特征由电池管理系统(BMS)11控制。发动机和ESS之间的能量控制和利用以及冗余组之间的分配可以由能量管理系统(EMS)控制。

ESS配电板还能够为系统的辅助系统(如UPS、冷却等)供电，以便使ESS系统完全自主，以及用于直接从ESS所连接的同一DC母线馈送推进器驱动。辅助设备的电源从系统的专用辅助开关板15本地供电。

图2中的ESS配电板通过单独的DC/AC和DC/DC转换器将电力分配给冗余组和辅助设备，并且优选地还包括保护电路，用于在故障情况下通过冗余组之间的保护单元和开关板避免错误传播。

这样，本发明将避免在损失发动机(冗余组)的同时损失ESS，这将能够限制每个ESS的安装容量以及不必要的许多电池室。因此，本发明减少了安装和修改单元的成本、空间、重量和时间。

因此，ESS解决方案被设计为独立于其他冗余组，因此构成了具有存储能量的附加冗余组。

如上所述，ESS链接到具有容错AC连接器的剩余冗余组，因此主冗余组中的故障不会导致具有ESS的冗余组失效。这通过安装适当的和本身已知的保护并确保设计中的完全冗余来实现。

为了被认为有助于系统的冗余，必须监视和控制各个主冗余组可用的能量。能量控制和分配可以链接到定位或导航控制系统－确保对船只中的其他部件的最佳能量分配，如上述WO2015/028621中所述。

如果与动力定位(DP)系统集成，则DP系统的结果和分析可基于当前系统状态和天气状况来计算电池可输送电力的剩余时间。通常，该计算由电池的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)来完成，但是由于关于预期消耗装置的信息通常是未知的，所以该计算具有严格的限制。为了能够计算正确的剩余时间的改进估计，可以使用由DP系统分析提供的推进器所需的力和所需的酬载(hotel load)等。利用关于系统中的损耗以及需要从电池提供的消耗电力的信息。如果电池电力应被计入船只的容量中(这通常被称为按照船级的电池电力符号)，则这是优选的。

为了精确计算，关于推进器和包括所有分配损失的其它服务负载的正确功耗的DP结果和容量分析被通知。当DP结果分析计算发电机或推进器损失后的剩余可用电力时，来自所有不同辅助设备的正确电力也可被去除以获得系统上的正确剩余电力。

所有这些对于能够计算电池上的正确的剩余时间以能够指示安全地终止正在进行的操作的正确的所需时间(通常称为终止时间(TTT))也是至关重要的。如果这些计算是正确的，则可以稍微不同地设置EMS，因为电池可以往下运行多远并且仍然有足够的能量留给TTT是已知的。

关于系统和所包括的部件的诸如电力要求、消耗、能量产生等的这些和其它数据将是已知的，并由能量管理系统使用，此外，部件、冗余组和部分可由传感器等监视，以便提高系统的性能。

对于在动力和推进装置中需要冗余的船只，机械的利用被限制为能够补偿一个冗余组的损失(损失的动力和推进)。通常，ESS可以被认为是通过能量对冗余的贡献(发动机动力的损失)，ESS在安全终止船只操作所需的持续时间期间提供该能量。由于ESS可以增加剩余推进单元的可用电力，所以在线可能需要更少的发动机。

因此，必须监视和传送可用于各个冗余组的ESS电力。在ESS向多个冗余组提供电力的电力短缺期间，EMS将分配电力，在这种情形下，为了船只目的(最有效的推进或定位)，电力能够被最佳地利用。对于动力定位的(DP)船只，EMS将对接DP系统用于DP结果分析以计算最佳分配。这可以增加船只的正常运行时间和/或减少所需的在线发动机数量。

消除与发动机同时的ESS损失通常会降低每个ESS所需的安装容量。这可能是ESS相关设备的显著成本节约因素。较小的设备意味着较小的空间和重量，如果不需要几个电池室，这又被进一步改进。

如上所述，已经结合具体示例描述了本发明。然而，在本领域内存在已知的替代方案，其中所选择的解决方案可以取决于环境。

作为一个示例，主电源或发电机1、2通常是向主开关板提供电力的柴油发电系统中的柴油发动机。取决于可用的燃气涡轮机，可以使用燃气发动机和燃料电池。能量存储系统可以基于市场上可买到的电池，但是也可以考虑飞轮、超/超级电容器等。用于任何能量介质的安全控制系统在下文中统称为电池管理系统(BMS)。

如上所述，ESS通常包括一个保护单元(未显示)，例如断路器或电力电子类型的负载断路器与熔断器和/或接触器串联，并且二级保护可以提供为ESS变压器次级绕组处的熔断器或两个串联的断路器或熔断器。选择保护装置以便既保护能量存储器，又保护通过ESS和ESS配电板13彼此连接的冗余组。

此外，如附图所示，可以取决于不同的单元和系统要求，在系统中选择商业上可获得的转换器，例如AC/AC、AC/DC、DC/DC、相应的IGBT、IGCT、二极管等。

在图2和3中，电池10通过ESS配电板13耦合到电网，并且多个DC/AC转换器17通过变压器18耦合到各个冗余组开关板6。这也可以以多种不同的方式来执行，也取决于每个冗余组(如果冗余组是不同的)。例如，示出如何/在哪里连接电网中的ESS的这种变化的示例可以包括通过DC/DC转换器到DC电网，通过DC/AC转换器和变压器，直接通过DC/AC转换器到AC电网，通过DC/AC转换器到驱动器的本地AC开关板。包括本地辅助用户，直接连接到DC电网驱动器或连接到多驱动器中的DC链路。

本发明的实施可能涉及以下内容：

·单个集装箱或区域内的系统(如果集成到船体中)被设计为对于所有辅助系统都是独立/自主的。

·用于电池连接的DC配电板13。

·在电气上，到主冗余组的电缆连接由双重屏障保护符合相关船级社规则。

·根据本发明的系统与辅助电源保持电气独立。专用逆变器向本地专用配电板15馈电。因此，通常辅助设备可以通过DC链路和逆变器从主冗余组汲取电力，或者在发动机动力损失的情况下从电池汲取电力。

·ESS 4的电力控制可以由直接从ESS配电板13的DC链路或从专用辅助箱(15)馈送的UPS独立地设计。

·与现有技术解决方案不同，本发明可以沿着两个冗余组的母排电缆互连，从而在次配电板级上重复使用母排电缆和断路器。这将减少现有设备的所需修改，因为不需要额外的断路器和开关装置修改。通过ESS确保在冗余组之间传输的电力的预期备份功能。这进一步允许改进的ESS连接到最接近预期电池室位置的开关装置，以最小化电缆修改。

·本发明可以扩展到用于岸上连接的灵活解决方案，在这种情形下，频率转换器可以补偿在各种港口处可用的变化的频率和电压。

·能量管理系统/控制系统是专用的，并且使用双重故障安全通信方式与PMS和DP系统进行通信(特定规则可以遵循船级符号。

·在运行的发动机较少的情况下，利用两个现有冷却系统的备用容量来供给本发明的集装箱或区域。管路配备有快速关闭值和监测，以确保分离并避免泄漏情况下的故障传播。在为三个或更多个冗余组供电的情况下，仅需要来自两个冗余组的管道。系统可以附加地供给HVAC，除非在设计用于空气-空气热交换器的地方集装箱化。

·集装箱(或区域)专用火灾探测和灭火系统

·根据相关船级规则，非危险区专用电池管理系统、气体检测和通风系统。

大多数海运船只被设计为在船上运行发动机以在船位于码头时给船只提供动力。如果完全安装，则船岸连接通常在传输电力的能力方面受到限制。

对于较小的船只来说，在停泊时从陆基市电电源汲取电力不是一种新的现象。多年来，岸电已广泛用于中等功率要求的船舶；通常小于50到100kW。这些船只能够利用正常的电网电压和频率，并且仅利用边际投资用岸电代替来自发电机的能量。对于具有较高电力要求(100kW直到MW范围)的较大船只，其变得有些复杂。为了给这些船只提供岸上动力，在陆地上和船上均需要专用和相对昂贵的装置。这可以包括升级电网容量、频率转换器和复杂的高电力连接器。因此，相对较少的船只和港口能够利用岸电，即使环境优势是相当可观的。升级具有能够实现零排放和噪声的岸上连接的船只的成本可能是具有高成本的复杂努力。这部分作为用于岸上连接的电压可以随港口的不同而变化(400/440/690V/6600/11000V)，并且与许多提供50Hz的港口相反，船只的频率通常是60Hz。然而，越来越多的国家或地区当局要求船只在港口或停泊时减少排放。

本发明还可以包括连接电路，用于接收高功率岸上连接并根据船只的主电网电压来转换频率和电压。由于如转换器、变压器和电缆等大部分昂贵部件是初始能量存储解决方案的一部分，因此可以以显著更低的成本提供这种岸上连接。因此，如果利用高功率岸上连接进行扩展，本发明不仅可以减少离岸时的排放，而且可以在岸上/港口处变成零排放。

概括地说，本发明涉及将能量存储系统改装为用于耦合到电源系统的自主的新的冗余组4，其中电源系统包括至少两个分离式电力系统部分，每个部分构成冗余组3，每个冗余组3包括适于向开关板产生电力的发电机和从所述开关板汲取电力的耗电装置(例如推进单元)中的至少一个。

根据本发明，至少两个冗余组中的开关板耦合到公共能量存储系统，该能量存储系统包括能量管理系统，该能量管理系统适于在能量存储系统和冗余组之间和/或(例如如果一个冗余组具有可用电力而另一组具有电力故障的情况下)通过能量存储系统在冗余组之间分配电力。从而提供附加的分离式电源。这样，该系统提供了具有能量存储系统配电板的公共能量存储和控制系统，配电板允许在分离式部分之间分配电力，并且这样减少了在每个分离式部分中对诸如电池的额外电力存储的需要。能量优选地被控制为双向流动(而不是二极管)，并且还可以在没有电力进入电池的情况下从一个开关板直接传递到另一个开关板。

能量存储系统(ESS)配电板可用于在冗余组之间分担负载，即使主开关板用开式母线操作或被分离。电力分配允许电力以两个路径上行进，并且基于发动机之间或去往和来自电池的最佳分配。这样，通过基于在各部分之间将电力进行定向来控制分配，利用冗余组/部分之间的公共链路频率和电压，消除了如上所述的典型挑战。

能量存储系统可以包括转换器，用于例如基于关于每个组中的元件的信息和诸如每个部件的发电、消耗和状态的监控信息，主动地控制系统中的消耗装置和发电机以及冗余组之间的电力分配。

能量存储系统配电板优选地还包括连接的分离电力系统部分之间的保护单元。

能量管理系统利用在电源系统中使用的电力分配系统，其中电源系统包括至少两个分离式电力系统部分，从而构成两个冗余组，每个冗余组包括通过开关板连接的发电机和耗电装置中的至少一个。如上所述，电力分配系统包括至少一个能量存储器和连接到能量存储器的能量管理单元，能量管理系统耦合到每个分离式电力系统部分，开关板，并且适于在所述冗余组中的功率波动时从所述电池向ESS配电板供应电力。因此，在冗余组中检测到不期望的功率波动或电力中断时，可以将供应电力从电池指向到开关板，反之亦然。此外，电力也可以从健康的冗余组转移到具有高波动的停电的组，因此提供超过电池的能量和功率的功率容量。每个组或部分中的电力消耗和产生可以由合适的传感器监视，并且还可以包括与该部分中的每个部件相关的已知数据，如最小电力要求、寿命变化和限制。

ESS配电板包括在所连接的分离电力系统部分之间的保护单元，并且ESS包括适于连接到诸如泵的辅助设备的AC辅助开关板，从而便于从发电机和/或能量存储器中的任何一个向辅助设备供电。

电力分配还可以包括通过经由ESS配电板控制发电机之间的电力流动来进行负载分担，并且可以基于关于该部分中的消耗装置和发电机的预定信息将电力提供给所述分离的电力部分。这样，基于发动机类型、燃料、发动机动力特性或发动机对负载变化的响应，通过经由ESS配电板允许发电机的负载分担或通过直接从电池供电来实现每个段上的发电机上的负载的最佳分配，在段之间执行用于能量流的电力最佳分配的方法。如图所示，电力分配系统可以通过冗余组之间的现有母线连接，例如在能量存储系统中实现，从而允许容易地安装到现有系统中。

本发明还涉及一种用于将电力分配给海运船只的分离式电源系统部分的方法，其中至少两个分离式电力系统部分因此构成两个冗余组，冗余组包括通过开关板连接的发电机和耗电装置中的至少一个，系统还包括电力分配系统，电力分配系统包括能量存储系统并且连接到每个冗余组开关板。该方法包括以下步骤：监控每个冗余组中的电力可用性，以及在组中检测到功率波动时，向分离式电力系统部分分配电力或从分离式电力系统部分分配电力。

Claims (13)

1.一种适于改装到电源系统中的能量存储系统，其中所述电源系统包括至少两个分离式电力系统部分，每个电力系统部分构成冗余组，每个冗余组包括交流开关板和适于向所述开关板产生电力的发电机和/或从所述开关板汲取电力的耗电装置中的至少一个，

其中所述能量存储系统被配置为耦合到所述至少两个冗余组的每一个中的交流开关板，所述单元构成公共和自主的能量存储系统，所述能量存储系统包括能量管理系统，所述能量管理系统适于在所述能量存储系统和冗余组之间和/或通过所述能量存储系统在所述冗余组之间分配附加电力，从而提供附加的分离式电源。

2.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中所述能量存储系统包括具有转换器的能量存储系统配电板，用于主动地控制所述系统中的冗余组之间的电力分配。

3.根据权利要求2所述的能量存储系统，其中所述能量存储系统配电板被配置为连接到每个冗余组，用于采样关于每个冗余组的能量产生和消耗的信息，以便控制它们之间的电力分配。

4.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中所述能量存储系统开关板包括在所连接的分离式电力系统部分和所述能量存储系统之间的保护单元。

5.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中所述冗余组的开关板能够通过母排连接。

6.根据权利要求1所述的能量存储系统，其包括交流辅助开关板15，所述交流辅助开关板适于连接到诸如泵的辅助设备，从而便于从所述发电机和/或能量存储器中的任何一个向所述辅助设备供电。

7.一种用于改装到电源系统中的电力分配系统，所述电源系统包括至少两个分离式电力系统部分，从而构成两个冗余组，每个冗余组限定分离式部分，所述分离式部分包括通过交流开关板连接的发电机和耗电装置中的至少一个，

其中所述电力分配系统包括至少一个能量存储器和连接到所述能量存储系统的能量管理单元，所述能量存储系统包括能量存储系统配电板，所述能量管理系统通过交流连接器耦合到所述分离式电力系统部分的开关板的每一个，并且适于在检测到的所述冗余组中的功率波动时通过所述能量存储系统配电板向所述电池供电或从所述电池供电。

8.根据权利要求7所述的电力分配系统，其中所述能量存储系统配电板包括在所连接的分离式电力系统部分之间的保护单元。

9.根据权利要求7所述的电力分配系统，其包括输入，用于通过选择的通信系统从每个分离式部分接收信息，其中所述信息包括与每个分离式部分中的电力消耗和产生相关的信息，所述能量管理单元计算所述部分中的所需电力分配。

10.根据权利要求7所述的电力分配系统，其适于通过所述冗余组之间的现有母排连接。

11.一种用于将电力分配给船只的分离式电源系统部分的方法，所述分离式电源系统部分包括至少两个分离式电力系统部分，从而构成至少两个冗余组，所述冗余组包括通过交流开关板连接的发电机和耗电装置中的至少一个，所述系统还包括电力分配系统，所述电力分配系统包括能量存储系统并且通过交流连接器连接到每个冗余组开关板，

所述方法包括以下步骤：监控每个冗余组中的电力可用性，以及在检测到组中的功率波动时向所述分离式电力系统部分分配电力或从所述分离式电力系统部分分配电力。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述电力分配还涉及通过经由能量储存系统开关板控制发电机之间的电力流动来进行负载分担。

13.根据权利要求9所述的方法，其中基于关于所述分离的电力部分中的所述消耗装置和所述发电机的预定信息向所述分离的电力部分供电。

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