船舶制動能量控制系統(tǒng)及能量控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種制動能量控制系統(tǒng)，具體涉及一種混合動力船舶制動能量控制系統(tǒng)及能量控制方法。
【背景技術】
[0002]船舶電力推進變頻調速系統(tǒng)由變頻器、電動機和螺旋槳組成，在船舶制動過程中，螺旋槳處于水渦輪狀態(tài)，推動電動機工作在發(fā)電模式，船舶和螺旋槳的能量通過逆變器傳送到直流環(huán)節(jié)，進而在直流環(huán)節(jié)產生泵升電壓。通常在大多數系統(tǒng)中都是采用制動電阻方式(阻耗式)制動，這種方式將能量直接經過制動電阻以熱能形式耗散掉，造成了能源極大浪費。
[0003]混合動力船舶在制動過程中會產生制動能量，并通過逆變器回饋到供電單元的直流母線，導致直流母線電壓升高(泵升電壓)。直流母線電壓過高或者過低都會對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行構成極大的威脅，為了將直流母線電壓限制在安全可靠的范圍內，必須及時消耗或轉移直流母線上的多余能量。在工程中，通常消耗或轉移能量的途經有以下三種方法:(1)耗散制動:目前，在混合動力船舶、混合動力汽車、軌道交通、電梯及提升機等傳動系統(tǒng)中，大多采用接入制動電阻將其在制動過程中產生的多余制動能量以熱能的形式直接耗散掉。其優(yōu)點是構造簡單，對電網無污染，成本低廉；缺點是運行效率較低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能量且制動電阻的容量將增大，這樣將會造成電能的極大浪費。(2)共用直流母線:可以解決制動時的能量消耗問題，又能使引起母線電壓升高的能量明顯減少，逆變器反饋的能量可以彼此互相利用。逆變器能量不足的部分再由整流橋通過電網供電或者由動力電池通過雙向DC/DC補充，因此這種應用方式節(jié)電率最高。制動要求特別高時，只需要在共用母線上并上一個共用制動單元即可。直流母線的制動方式具有以下的特點:a.使用共用直流母線和共用制動單元后，可以大大減少整流器和制動單元的重復配置，結構簡單，經濟可靠；b.共用直流母線的中間直流電壓基本恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；c.各負載工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補節(jié)約了電能，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性；d.提高系統(tǒng)功率因素，降低電網諧波電流，提高系統(tǒng)用電效率等。(3)存儲制動:近年來，隨著混合動力船舶技術不斷創(chuàng)新、發(fā)展，在船舶電力推進系統(tǒng)中采用了利用接在直流母線側的超級電容器或動力電池等作為混合動力船舶儲能裝置，為船舶的優(yōu)化、綜合控制起到重要作用，同時也可以存儲多余的制動能量，在系統(tǒng)需要能量時釋放所存儲的能量。在一些軌道交通工具(如地鐵)，此項技術已得到成熟運用。
[0004]目前，制動能量回收技術在船舶領域沒有得到應用，因此，未發(fā)現相關專利。在其他領域(軌道交通)存在相近的專利，例如日立公司的專利CNlOl 100170A，提出了一種將再生制動能量回收到超級電容器中的電路和控制方法，該系統(tǒng)在列車上配備了超級電容器，該超級電容器吸收列車的制動能量，為列車在中途加速過程提供所需的能量，列車進站后，車站的充電裝置根據超級電容器剩余能量的大小決定是否對之充電。美國專利US20060005738A1提出了一種車載的儲能系統(tǒng)，用于回收再生制動能量。該系統(tǒng)主要用于電力機車，吸收制動能量，并為列車加速提供能量。該儲能系統(tǒng)還可以接受外部能源的充電，列車上裝備了制動電阻來消耗儲能裝置無法吸收的能量。中國專利CN101249802提出的城市軌道交通車輛制動能量回收系統(tǒng)，利用超級電容器作為儲能裝置，通過逆變器將超級電容器的能量提供電力，用于車內照明和通風等小負荷，但此方案的逆變方案無法推廣到大負荷的應用上。目前，有些儲能裝置如鎳氫電池、飛輪儲能裝置等充放電速度過慢，不能滿足高速磁浮列車制動能量存儲的要求。更重要的是，目前包括超級電容器的儲能裝置容量有限，不能滿足大量的制動能量的存儲。同時仍然會有大量的能量被不必要地消耗掉。
[0005]總之，當超過存儲裝置容量的制動能量出現時，以上所述技術的儲能裝置就不具備通過直流母線向交流母線回饋和有效控制的功能，只能通過在直流母線上外接入制動電阻來消耗掉多余制動能量。混合動力船舶在制動過程中產生巨大的制動能量，由于缺乏恰當的能量管理與控制方案，使得這些制動能量被制動單元以熱能的形式消耗在制動電阻上，這樣就會造成大量能量被浪費。同樣，這些問題也存在于諸如軌道交通、乳鋼、電梯等頻繁加減速的電機驅動系統(tǒng)中。
[0006]現有的混合動力船舶的電力推進系統(tǒng)大多都采用外接制動單元，通過控制制動單元實現制動電阻的投切，以熱能的形式消耗掉其產生的制動能量，這樣造成系統(tǒng)內部產生大量熱，可能會導致大功率器件燒損，同時大量的能量被直接浪費?；蛘卟捎媚孀兓仞仯ㄟ^雙向逆變器將多余制動能量直接回收到交流電網，這樣會造成電網污染，進而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明提供一種船舶制動能量控制系統(tǒng)及能量控制方法，實現混合動力船舶的電力推進系統(tǒng)制動過程中產生的能量的高效率利用，更進一步實現節(jié)能減排。
[0008]為實現上述目的，本發(fā)明提供一種船舶制動能量控制系統(tǒng)，其特點是，該控制系統(tǒng)通過直流母線電路連接船舶的電力推進系統(tǒng)；船舶的電力推進系統(tǒng)制動時產生制動能量輸出至包含有直流母線的直流環(huán)節(jié)；該控制系統(tǒng)包含:
交流負載，其通過變流器電路連接直流母線，交流負載在其能量需求量內吸收電力推進系統(tǒng)產生的制動能量；
電能儲存裝置，其通過雙向變流器電路連接直流母線，用于存儲制動能量或向直流母線上連接的負載輸出電能；
耗能裝置，其電路連接直流母線，用于消耗制動能量；
轉換開關控制系統(tǒng)，電能儲存裝置和耗能裝置分別通過轉換開關控制系統(tǒng)電路連接直流母線；當制動能量超出交流負載的能量需求量，轉換開關控制系統(tǒng)控制將制動能量向電能儲存裝置充電，當電能儲存裝置電量充滿時，轉換開關控制系統(tǒng)控制將制動能量通過耗能裝置完全消耗。
[0009]上述轉換開關控制系統(tǒng)包含:
第一轉換開關，電能儲存裝置和耗能裝置分別通過該第一轉換開關電路連接直流母線；
轉換開關控制單元，其輸出端電路連接第一轉換開關，通過第一轉換開關控制將制動能量向電能儲存裝置充電，或將制動能量通過耗能裝置完全消耗。
[0010]上述電力推進系統(tǒng)包含:
螺旋槳；
電機，其通過變流器電路連接直流母線，并機械連接螺旋槳，帶動螺旋槳旋轉；
上述電力推進系統(tǒng)制動時，螺旋槳因慣性帶動電機旋轉，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，產生制動能量。
[0011]上述電能儲存裝置輸出端還通過變流器電路連接至船舶的直流負載設備，由電能儲存裝置向直流負載設備供電。
[0012]上述控制系統(tǒng)還包含有鋪助電源系統(tǒng)，鋪助電源系統(tǒng)輸入端電路連接電能儲存裝置，輸出端電路連接直流負載設備；鋪助電源系統(tǒng)檢測電能儲存裝置的電量不足時，向直流負載設備輔助輸出電能。
[0013]上述轉換開關控制系統(tǒng)包含:
第二轉換開關，電能儲存裝置和鋪助電源系統(tǒng)分別通過該第二轉換開關連接直流負載設備；
轉換開關控制單元，其輸出端電路連接第二轉換開關，通過第二轉換開關控制由電能儲存裝置向直流負載設備供電，或由鋪助電源系統(tǒng)向直流負載設備供電。
[0014]上述鋪助電源系統(tǒng)包含:
直流輔助電源，其輸出端電路連接至直流負載設備；
輔助電源控制單元，其輸入端電路連接電能儲存裝置，輸出端電路連接直流輔助電源；該輔助電源控制單元檢測電能儲存裝置的電量，當電能儲存裝置電量不足時，控制直流輔助電源向直流負載設備輸出電能。
[0015]—種上述混合動力船舶制動能量控制系統(tǒng)的能量控制方法，其特點是，該方法包含:
混合動力船舶制動能量控制系統(tǒng)接收電力推進系統(tǒng)制動過程中輸出的制動能量；制動能量通過逆變器傳遞到直流環(huán)節(jié)產生泵生電壓；
當泵生電壓處于直流環(huán)節(jié)緩沖制動能量的電壓范圍內，電力推進系統(tǒng)輸出的制動能量由直流環(huán)節(jié)緩沖消耗；
當泵生電壓大于直流環(huán)節(jié)緩沖制動能量的電壓范圍，由交流負載、和/或電能儲存裝置、和/或耗能裝置吸收制動能