船舶制动能量控制系统及能量控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种船舶制动能量控制系统，包含：交流负载，在其能量需求量内吸收电力推进系统产生的制动能量；电能储存装置，用于存储制动能量或向直流母线上连接的负载输出电能；耗能装置，用于消耗制动能量；转换开关控制系统，当制动能量超出交流负载的能量需求量，转换开关控制系统控制将制动能量向电能储存装置充电，当电能储存装置电量充满，转换开关控制系统控制将制动能量通过耗能装置完全消耗。本发明专利技术系统采用共用直流母线、储能式和阻耗式结合的方法，按照将产生的制动能量进行按需求、容量、功能合理分配，能量得到高效利用，充分回收再生制动能量，具有很好动态特性，能够达到节能减排目的，实现绿色环保。

【技术实现步骤摘要】
船舶制动能量控制系统及能量控制方法
本专利技术涉及一种制动能量控制系统，具体涉及一种混合动力船舶制动能量控制系统及能量控制方法。
技术介绍
船舶电力推进变频调速系统由变频器、电动机和螺旋桨组成，在船舶制动过程中，螺旋桨处于水涡轮状态，推动电动机工作在发电模式，船舶和螺旋桨的能量通过逆变器传送到直流环节，进而在直流环节产生泵升电压。通常在大多数系统中都是采用制动电阻方式（阻耗式）制动，这种方式将能量直接经过制动电阻以热能形式耗散掉，造成了能源极大浪费。混合动力船舶在制动过程中会产生制动能量，并通过逆变器回馈到供电单元的直流母线，导致直流母线电压升高（泵升电压）。直流母线电压过高或者过低都会对船舶电力系统稳定运行构成极大的威胁，为了将直流母线电压限制在安全可靠的范围内，必须及时消耗或转移直流母线上的多余能量。在工程中，通常消耗或转移能量的途经有以下三种方法：（1）耗散制动：目前，在混合动力船舶、混合动力汽车、轨道交通、电梯及提升机等传动系统中，大多采用接入制动电阻将其在制动过程中产生的多余制动能量以热能的形式直接耗散掉。其优点是构造简单，对电网无污染，成本低廉；缺点是运行效率较低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大，这样将会造成电能的极大浪费。（2）共用直流母线：可以解决制动时的能量消耗问题,又能使引起母线电压升高的能量明显减少，逆变器反馈的能量可以彼此互相利用。逆变器能量不足的部分再由整流桥通过电网供电或者由动力电池通过双向DC/DC补充,因此这种应用方式节电率最高。制动要求特别高时,只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。直流母线的制动方式具有以下的特点：a.使用共用直流母线和共用制动单元后,可以大大减少整流器和制动单元的重复配置,结构简单,经济可靠；b.共用直流母线的中间直流电压基本恒定,电容并联储能容量大；c.各负载工作在不同状态下,能量回馈互补节约了电能,优化了系统的动态特性；d.提高系统功率因素,降低电网谐波电流,提高系统用电效率等。（3）存储制动：近年来，随着混合动力船舶技术不断创新、发展，在船舶电力推进系统中采用了利用接在直流母线侧的超级电容器或动力电池等作为混合动力船舶储能装置，为船舶的优化、综合控制起到重要作用，同时也可以存储多余的制动能量，在系统需要能量时释放所存储的能量。在一些轨道交通工具（如地铁），此项技术已得到成熟运用。目前，制动能量回收技术在船舶领域没有得到应用，因此，未发现相关专利。在其他领域（轨道交通）存在相近的专利，例如日立公司的专利CN101100170A，提出了一种将再生制动能量回收到超级电容器中的电路和控制方法，该系统在列车上配备了超级电容器，该超级电容器吸收列车的制动能量，为列车在中途加速过程提供所需的能量，列车进站后，车站的充电装置根据超级电容器剩余能量的大小决定是否对之充电。美国专利US20060005738A1提出了一种车载的储能系统，用于回收再生制动能量。该系统主要用于电力机车，吸收制动能量，并为列车加速提供能量。该储能系统还可以接受外部能源的充电，列车上装备了制动电阻来消耗储能装置无法吸收的能量。中国专利CN101249802提出的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，利用超级电容器作为储能装置，通过逆变器将超级电容器的能量提供电力，用于车内照明和通风等小负荷，但此方案的逆变方案无法推广到大负荷的应用上。目前，有些储能装置如镍氢电池、飞轮储能装置等充放电速度过慢，不能满足高速磁浮列车制动能量存储的要求。更重要的是，目前包括超级电容器的储能装置容量有限，不能满足大量的制动能量的存储。同时仍然会有大量的能量被不必要地消耗掉。总之，当超过存储装置容量的制动能量出现时，以上所述技术的储能装置就不具备通过直流母线向交流母线回馈和有效控制的功能，只能通过在直流母线上外接入制动电阻来消耗掉多余制动能量。混合动力船舶在制动过程中产生巨大的制动能量，由于缺乏恰当的能量管理与控制方案，使得这些制动能量被制动单元以热能的形式消耗在制动电阻上，这样就会造成大量能量被浪费。同样，这些问题也存在于诸如轨道交通、轧钢、电梯等频繁加减速的电机驱动系统中。现有的混合动力船舶的电力推进系统大多都采用外接制动单元，通过控制制动单元实现制动电阻的投切，以热能的形式消耗掉其产生的制动能量，这样造成系统内部产生大量热，可能会导致大功率器件烧损，同时大量的能量被直接浪费。或者采用逆变回馈，通过双向逆变器将多余制动能量直接回收到交流电网，这样会造成电网污染，进而破坏系统的稳定运行。
技术实现思路
本专利技术提供一种船舶制动能量控制系统及能量控制方法，实现混合动力船舶的电力推进系统制动过程中产生的能量的高效率利用，更进一步实现节能减排。为实现上述目的，本专利技术提供一种船舶制动能量控制系统，其特点是，该控制系统通过直流母线电路连接船舶的电力推进系统；船舶的电力推进系统制动时产生制动能量输出至包含有直流母线的直流环节；该控制系统包含：交流负载，其通过变流器电路连接直流母线，交流负载在其能量需求量内吸收电力推进系统产生的制动能量；电能储存装置，其通过双向变流器电路连接直流母线，用于存储制动能量或向直流母线上连接的负载输出电能；耗能装置，其电路连接直流母线，用于消耗制动能量；转换开关控制系统，电能储存装置和耗能装置分别通过转换开关控制系统电路连接直流母线；当制动能量超出交流负载的能量需求量，转换开关控制系统控制将制动能量向电能储存装置充电，当电能储存装置电量充满时，转换开关控制系统控制将制动能量通过耗能装置完全消耗。上述转换开关控制系统包含：第一转换开关，电能储存装置和耗能装置分别通过该第一转换开关电路连接直流母线；转换开关控制单元，其输出端电路连接第一转换开关，通过第一转换开关控制将制动能量向电能储存装置充电，或将制动能量通过耗能装置完全消耗。上述电力推进系统包含：螺旋桨；电机，其通过变流器电路连接直流母线，并机械连接螺旋桨，带动螺旋桨旋转；上述电力推进系统制动时，螺旋桨因惯性带动电机旋转，使电机处于发电状态，产生制动能量。上述电能储存装置输出端还通过变流器电路连接至船舶的直流负载设备，由电能储存装置向直流负载设备供电。上述控制系统还包含有辅助电源系统，辅助电源系统输入端电路连接电能储存装置，输出端电路连接直流负载设备；辅助电源系统检测电能储存装置的电量不足时，向直流负载设备辅助输出电能。上述转换开关控制系统包含：第二转换开关，电能储存装置和辅助电源系统分别通过该第二转换开关连接直流负载设备；转换开关控制单元，其输出端电路连接第二转换开关，通过第二转换开关控制由电能储存装置向直流负载设备供电，或由辅助电源系统向直流负载设备供电。上述辅助电源系统包含：直流辅助电源，其输出端电路连接至直流负载设备；辅助电源控制单元，其输入端电路连接电能储存装置，输出端电路连接直流辅助电源；该辅助电源控制单元检测电能储存装置的电量，当电能储存装置电量不足时，控制直流辅助电源向直流负载设备输出电能。一种上述混合动力船舶制动能量控制系统的能量控制方法，其特点是，该方法包含：混合动力船舶制动能量控制系统接收电力推进系统制动过程中输出的制动能量；制动能量通过逆变器传递到直流环节产生泵生电压；当泵生电压处于直流环节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶制动能量控制系统，其特征在于，该控制系统通过直流母线电路连接船舶的电力推进系统；船舶的电力推进系统制动时产生制动能量输出至包含有直流母线的直流环节；所述控制系统包含：交流负载，其通过变流器电路连接直流母线，交流负载在其能量需求量内吸收电力推进系统产生的制动能量；电能储存装置，其通过双向变流器电路连接直流母线，用于存储制动能量或向直流母线上连接的负载输出电能；耗能装置，其电路连接直流母线，用于消耗制动能量；转换开关控制系统，所述电能储存装置和耗能装置分别通过转换开关控制系统电路连接直流母线；当制动能量超出交流负载的能量需求量，转换开关控制系统控制将制动能量向电能储存装置充电，当电能储存装置电量充满时，转换开关控制系统控制将多余的制动能量通过耗能装置完全消耗。

【技术特征摘要】
1.一种船舶制动能量控制系统，其特征在于，该控制系统通过直流母线电路连接船舶的电力推进系统；船舶的电力推进系统制动时产生制动能量输出至包含有直流母线的直流环节；所述控制系统包含：交流负载，其通过变流器电路连接直流母线，交流负载在其能量需求量内吸收电力推进系统产生的制动能量；电能储存装置，其通过双向变流器电路连接直流母线，用于存储制动能量或向直流母线上连接的负载输出电能；耗能装置，其电路连接直流母线，用于消耗制动能量；转换开关控制系统，所述电能储存装置和耗能装置分别通过转换开关控制系统电路连接直流母线；当制动能量超出交流负载的能量需求量，转换开关控制系统控制将制动能量向电能储存装置充电，当电能储存装置电量充满时，转换开关控制系统控制将多余的制动能量通过耗能装置完全消耗；所述转换开关控制系统包含：第一转换开关，电能储存装置和耗能装置分别通过该第一转换开关电路连接直流母线；转换开关控制单元，其输出端电路连接第一转换开关，通过第一转换开关控制将制动能量向电能储存装置充电，或将制动能量通过耗能装置完全消耗。2.如权利要求1所述的船舶制动能量控制系统，其特征在于，所述电力推进系统包含：螺旋桨；电机，其通过变流器电路连接直流母线，并机械连接螺旋桨，带动螺旋桨旋转；所述电力推进系统制动时，螺旋桨因惯性带动电机旋转，使电机处于发电状态，产生制动能量。3.如权利要求1所述的船舶制动能量控制系统，其特征在于，所述电能储存装置输出端还通过变流器电路连接至船舶的直流负载设备，由电能储存装置向直流负载设备供电。4.如权利要求3所述的船舶制动能量控制系统，其特征在于，所述控制系统还包含有辅助电源系统，辅助电源系统输入端电路连接电能储存装置，输出端电路连接直流负载设备；辅助电源系统检测电能储存装置的电量不足时，向直流负载设备辅助输出电能。5.如权利要求4所述的船舶制动能量控制系统，其特征在于，所述转换开关控制系统包含：第二转换开关，电能储存装置和辅助电源系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫石，沈爱弟，王丹丹，刘彬，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31