一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统及方法，涉及电动船舶领域，包括电动机；人力发电装置，包括相互机械连接的人力装置和发电机；储能装置；交流电耦合装置，交流电耦合装置连接人力发电装置、电动机及储能装置。本发明专利技术的船用人力与电能交流电耦合驱动系统通过调节发电机电磁转矩控制人力装置做功的强度，发电机启动无最小力矩门槛限制；人力装置做功产生的电能与储能装置存储的电能在交流母线上耦合，使得储能装置能够按照任意设定比例，通过交流电耦合母线向电动机传递差额能量。本发明专利技术实现了人力发电装置与储能装置共同驱动游乐船行驶的目的，使游客获得差异化的锻炼体验与船速体验。

A Marine Manpower and Electric Power AC Coupled Driving System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统及方法
本专利技术涉及电动船舶领域，具体涉及一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统及方法。
技术介绍
随着科技的发展和生活水平的改善，运动休闲的方式日益丰富。休闲娱乐船舶是目前较受欢迎的一种休闲娱乐器材，除电力/内燃机驱动部件外，其通常设置有人力驱动装置，包括脚踏装置、手摇装置、跑步装置等，同时具有健身和娱乐功能。在相关器材中，有技术人员想到将在运动休闲过程中人力装置做功进行收集，将人力做功的生物能并转化供负载使用，节约船舶能耗。已有技术人员通过发电装置与储能单元的设置，实现了运动能量的回收利用。例如，中国专利CN201065814Y公开了一种“将生物能转变为交流电的健身器”，其包括直流发电机、充电电路、控制面板、储能装置与直流变交流的电源转化器，该装置可以高效的将电能存储于储能装置中，再由储能装置给家用电器供电。相关装置对人体运动产生的能量进行转化与利用，不仅可以增加娱乐性，而且可以减少能源的浪费。但现有系统中仍存在以下问题：1、现有技术中人力做功产生的电能需要先存储在储能装置中，再控制逆变器将储能装置中存储的电能释放给用电负载。运动健身器材的发电与储能装置的放电不能同时运行，没有实现人力发电与电能的有机耦合，更无法实现二者能量输出的预设比例调节，难以实现电能输出功率依照人力输入功率的动态调整，实现类似人力驱动船舶的模拟效果。2、人力装置产生的电能向储能装置传递时，需要添加充电装置，充电装置的启动门槛严重影响了人力发电机的发电门槛，使得人力发电机转矩的调节受到最小工作力矩与最大工作力矩的限制。3、现有人力发电机转矩调节的目的是增加小体力者与降低大体力者的发电功率，达到提高运动健身器材的普适性与增加发电机可靠性的目的，这种转矩调节方式难以将输入功率与输出功率进行匹配，不具备娱乐性与竞速等竞技性基础。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统及方法，可实现人力发电与电能的有机耦合，实现二者能量输出的比例调节，使游客获得不同的锻炼体验与船速体验。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统，包括：电动机、人力发电装置、储能装置以及交流电耦合装置；所述人力发电装置包括相互机械连接的人力装置和发电机；所述交流电耦合装置分别连接所述人力发电装置、电动机及储能装置；所述交流电耦合装置包括相互电连接的发电侧电能控制模块、储能侧电能控制模块和电机侧电能控制模块，所述发电侧电能控制模块、储能侧电能控制模块、电机侧电能控制模块间通信连接；人力发电装置输出的电流和储能装置提供电流通过交流电耦合装置耦合在电母线上，输送至电动机。在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制模块连接至少一路人力发电装置，所述储能侧电能控制模块连接至少一路储能装置，所述电机侧电能控制模块连接至少一路电动机；所述发电侧电能控制模块用于将发电机发出的电能耦合在电母线上，以及识别发电机输出电压并控制发电机输出功率；所述电机侧电能控制模块用于在检测到人力发电装置发出电能时，调节人力发电装置与储能装置在电母线上的电能耦合比例，并将两者同时传递给电动机，以及调节电动机，控制电动机运行；所述储能侧电能控制模块用于按照电机侧电能控制模块设置的所述电能耦合比例，从储能装置中抽取差额能量输入电母线。在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制模块还用于：在人力发电装置发电机为交流发电机时，将发电机发出的频率幅值变化的交流电转换成与交流耦合母线等幅值等频率等相位的交流电；在人力发电装置发电机为直流发电机时，将发电机发出的直流电转换成与交流耦合母线等幅值等频率等相位的交流电；以及，在人力装置带动发电机转动时，识别发电机电压，并根据电压大小控制发电机输出电流、发电机电磁转矩和输出功率，调节发电机人力做功力矩。在上述技术方案的基础上，所述发电侧电能控制模块包括负荷评估单元、电流控制器、并网控制器、驱动信号发生器和故障闭锁单元，所述负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器依次连接，所述并网控制器与所述电流控制器连接，所述故障闭锁单元与所述驱动信号发生器连接；所述负荷评估单元用于根据预设的外部负荷期望和输入电压对负荷进行评估后，产生输入电流有功指令发送至电流控制器；所述并网控制器用于根据母线的频率与相位信息产生输出电流指令的频率与相位，并送至所述电流控制器；所述电流控制器用于根据输入电流有功指令、输出电流指令的频率与相位，产生电压参考波并送至所述驱动信号发生器；所述故障闭锁单元用于根据采样输入、输出的电压电流中故障保护信号判断是否发生故障，并在发生故障时发送故障闭锁信号至所述驱动信号发生器；所述驱动信号发生器用于根据接收的参考波指令发送驱动信号，以及在接收到故障闭锁信号时停止发送驱动信号。在上述技术方案的基础上，所述储能侧电能控制模块用于将储能装置存储的固定幅值的直流电转换成与交流耦合母线等幅值等频率等相位的交流电，以及在系统运行中维持交流耦合母线幅值频率相位的稳定。在上述技术方案的基础上，所述储能侧电能控制模块还用于在系统运行时，调节其与储能装置相连接的端口电流，实时控制交流耦合电母线幅值频率相位；以及按照电机侧电能控制模块设置的人力与储能装置电能耦合的比例，从储能装置中补充差额能量至电母线。在上述技术方案的基础上，所述电机侧电能控制模块用于在电动机为交流电机时，将交流电母线上的交流电能转换成幅值与频率可调交流电能，控制交流电机转动；以及在电动机为直流电机时，将交流电母线上的交流电能转换成幅值可调的直流电能，控制直流电机转动。在上述技术方案的基础上，所述储能装置用于自动补偿人力发电装置和电动机的差额能量，根据工况的不同自动进行充电或放电。在上述技术方案的基础上，当人力装置输出功率变化时，所述电能耦合比例跟随发生变化。本专利技术还提供一种如上所述的船用人力与电能交流电耦合驱动系统的人力与电能交流电耦合驱动方法，包括：当人力装置带动发电机转动时，发电侧电能控制模块识别发电机电压；发电侧电能控制模块根据识别电压控制发电机输出电流；电机侧电能控制模块识别人力装置的输出功率，并按预设比例匹配储能装置的输出功率；当人力装置输出功率变化时，储能侧电能控制模块将储能装置存储的电能由直流电转换成与交流电耦合母线频率幅值相位同步的交流电，储能装置输出功率与人力装置输出功率的比例跟随发生变化。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的船用人力与电能交流电耦合驱动系统采用交流电耦合装置将人力发电装置、储能装置与电动机有机耦合在一起。其中，发电侧电能控制模块将人力发电装置耦合在交流电母线上；储能侧电能控制模块将储能装置耦合在交流电母线上；电机侧电能控制模块调节人力与储能装置在电母线上的电能耦合比例，并将两者同时传递给电动机驱动电动机运行。人力产生的电能可无需经过储能装置直接传递给电动机，有机耦合使得电动机能够获得的最大电功率为人力与储能装置功率之和，提高了电动机最高工作功率。(2)本专利技术的船用人力与电能交流电耦合驱动系统包括发电侧电能控制模块，其通过控制输入电流、发电机电磁转矩，进而调节人力装置输入力矩，达到调节人力装置做功强度的目的；因此，发电侧电能控制模块能够根据人力装置使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统，其特征在于，包括：电动机、人力发电装置、储能装置以及交流电耦合装置；所述人力发电装置包括相互机械连接的人力装置和发电机；所述交流电耦合装置分别连接所述人力发电装置、电动机及储能装置；所述交流电耦合装置包括相互电连接的发电侧电能控制模块、储能侧电能控制模块和电机侧电能控制模块，所述发电侧电能控制模块、储能侧电能控制模块、电机侧电能控制模块间通信连接；人力发电装置输出的电流和储能装置提供电流通过交流电耦合装置耦合在电母线上，输送至电动机。

【技术特征摘要】
1.一种船用人力与电能交流电耦合驱动系统，其特征在于，包括：电动机、人力发电装置、储能装置以及交流电耦合装置；所述人力发电装置包括相互机械连接的人力装置和发电机；所述交流电耦合装置分别连接所述人力发电装置、电动机及储能装置；所述交流电耦合装置包括相互电连接的发电侧电能控制模块、储能侧电能控制模块和电机侧电能控制模块，所述发电侧电能控制模块、储能侧电能控制模块、电机侧电能控制模块间通信连接；人力发电装置输出的电流和储能装置提供电流通过交流电耦合装置耦合在电母线上，输送至电动机。2.如权利要求1所述的船用人力与电能交流电耦合驱动系统，其特征在于：所述发电侧电能控制模块连接至少一路人力发电装置，所述储能侧电能控制模块连接至少一路储能装置，所述电机侧电能控制模块连接至少一路电动机；所述发电侧电能控制模块用于将发电机发出的电能耦合在电母线上，以及识别发电机输出电压并控制发电机输出功率；所述电机侧电能控制模块用于在检测到人力发电装置发出电能时，调节人力发电装置与储能装置在电母线上的电能耦合比例，并将两者同时传递给电动机，以及调节电动机，控制电动机运行；所述储能侧电能控制模块用于按照电机侧电能控制模块设置的所述电能耦合比例，从储能装置中抽取差额能量输入电母线。3.如权利要求2所述的船用人力与电能交流电耦合驱动系统，其特征在于，所述发电侧电能控制模块还用于：在人力发电装置发电机为交流发电机时，将发电机发出的频率幅值变化的交流电转换成与交流耦合母线等幅值等频率等相位的交流电；在人力发电装置发电机为直流发电机时，将发电机发出的直流电转换成与交流耦合母线等幅值等频率等相位的交流电；以及，在人力装置带动发电机转动时，识别发电机电压，并根据电压大小控制发电机输出电流、发电机电磁转矩和输出功率，调节发电机人力做功力矩。4.如权利要求1所述的船用人力与电能交流电耦合驱动系统，其特征在于：所述发电侧电能控制模块包括负荷评估单元、电流控制器、并网控制器、驱动信号发生器和故障闭锁单元，所述负荷评估单元、电流控制器、驱动信号发生器依次连接，所述并网控制器与所述电流控制器连接，所述故障闭锁单元与所述驱动信号发生器连接；所述负荷评估单元用于根据预设的外部负荷期望和输入电压对负荷进行评估后，产生输入电流有功指令发送至电流控制器；所述并网控制器用于根据母...

【专利技术属性】
技术研发人员：康勇，王洪升，文刚，别传玉，曾明星，陈泓滨，夏志才，何德刚，张超，
申请(专利权)人：武汉新能源研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42