一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，包括正轉(zhuǎn)飛輪、反轉(zhuǎn)飛輪、正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器、系統(tǒng)控制器、姿態(tài)傳感器、超級電容、太陽能控制器、太陽能電池板、雙向逆變器、交流電源/負(fù)載、雙向直流變換器、直流電源/負(fù)載。采用正反轉(zhuǎn)雙飛輪結(jié)構(gòu)，減搖過程中，能量在兩個(gè)飛輪中流動(dòng)，所需外部能量極低；當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時(shí)，所產(chǎn)生的力矩相互抵消，因此不會(huì)引起縱搖，也不會(huì)增加行駛阻力。利用太陽能電池發(fā)電并儲(chǔ)存在飛輪中，可以在船舶主機(jī)不起動(dòng)的狀態(tài)下向船舶供電，進(jìn)行減搖控制；采用飛輪儲(chǔ)能，沒有二次污染，使用壽命長可達(dá)20年以上，安全可靠，傳統(tǒng)的蓄電池作為應(yīng)急電源使用壽命約在3年左右，而且鋰電池有爆炸危險(xiǎn)。
【專利說明】
一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種船用雙飛輪儲(chǔ)能減搖一體化控制裝置，屬于船舶控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002 ]船舶的搖蕩對船舶的舒適性、安全性以及航線的經(jīng)濟(jì)性都有較大的影響。通常船 舶最容易發(fā)生的是橫搖，而且橫搖的搖擺幅度最大，對船上人員的影響也最為嚴(yán)重，為此陀 螺進(jìn)動(dòng)減搖裝置廣泛應(yīng)用在小型船舶系統(tǒng)當(dāng)中。
[0003] 陀螺減搖器工作時(shí)，首先要通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)將陀螺轉(zhuǎn)子加速到極高轉(zhuǎn)速，通常為了 減小阻力需要在陀螺中抽真空。然后通過液壓或者電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子軸線繞船 只橫軸線前后轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生橫向的陀螺力矩，用以消除船體的橫搖。
[0004] 由于陀螺本身重量較大，既要驅(qū)動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，又要驅(qū)動(dòng)陀螺本體繞橫軸 線轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要耗費(fèi)大量能量，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，可靠性和維護(hù)性均比較低，也 增加了系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)控制系統(tǒng)也相對比較復(fù)雜。
[0005] 陀螺減搖器的陀螺力矩是減搖的主要控制參數(shù)，如公式(1)所示：
[0007] 其中M為陀螺力矩，H為陀螺自傳角動(dòng)量，(^為進(jìn)動(dòng)角速度，J為陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω 為陀螺轉(zhuǎn)速。
[0008] 從公式（1)可以看出，陀螺力矩M的大小與陀螺轉(zhuǎn)速ω和進(jìn)動(dòng)角速度ω b成正比關(guān) 系。
[0009] 為了得到較大的陀螺力矩首先要有較高的陀螺轉(zhuǎn)速，這使得陀螺減搖器的起動(dòng)時(shí) 間非常長，這樣才能使陀螺加速到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，而且需要消耗較大的能量，這些能量無法回 收。
[0010] 當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)，需要保持恒定轉(zhuǎn)速，這樣要增加陀螺減搖力矩就必須 增加進(jìn)動(dòng)角速度，然而陀螺軸進(jìn)動(dòng)的角度范圍有限，要增加進(jìn)動(dòng)角速度，就會(huì)減少進(jìn)動(dòng)時(shí) 間，而這個(gè)時(shí)間必須大于波浪引起橫搖的周期。所以如果橫搖周期較長，就要降低進(jìn)動(dòng)角速 度，因此減搖效果就會(huì)受到限制。
[0011] 當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時(shí)，陀螺減搖器會(huì)產(chǎn)生縱搖力矩引起縱搖，這是不希望出現(xiàn)的效果，不 僅讓船上人員趕到不適，還會(huì)引起額外的行駛阻力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提出了一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制 裝置。該裝置采用了飛輪加減速力矩進(jìn)行減搖，其工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速非常低，不需要抽真空，機(jī)械 應(yīng)力較低，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，同時(shí)可以作為儲(chǔ)能裝置使用。
[0013] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0014] 本發(fā)明提出一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，包括正轉(zhuǎn)飛 輪、反轉(zhuǎn)飛輪、正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器、系統(tǒng)控制器、姿態(tài)傳感器、超級電容、太陽 能控制器、太陽能電池板、雙向逆變器、交流電源/負(fù)載、雙向直流變換器、直流電源/負(fù)載、 船體。
[0015] 所述正轉(zhuǎn)飛輪連接正轉(zhuǎn)飛輪控制器，反轉(zhuǎn)飛輪連接反轉(zhuǎn)飛輪控制器，姿態(tài)傳感器、 正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器、太陽能控制器、雙向逆變器、雙向直流變換器均通過控 制總線與系統(tǒng)控制器連接，太陽能電池板與太陽能控制器連接，交流電源/負(fù)載與雙向逆變 器，直流電源/負(fù)載與雙向直流變換器連接，正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器、太陽能控制 器、雙向逆變器、雙向直流變換器均連接到超級電容所在的直流母線。
[0016] 所述太陽能電池板安裝于船體的上層建筑表面，系統(tǒng)其它部分安裝于船體的內(nèi) 部。
[0017] 當(dāng)所述正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪 控制器均包括電抗器、電流傳感器、功率開關(guān)、電壓傳感器、控制板組成。
[0018] 所述功率開關(guān)組成三相橋通過電抗器向交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的正轉(zhuǎn)飛輪或反轉(zhuǎn)飛輪供 電，三相橋的直流側(cè)與超級電容連接，電壓傳感器檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器檢測交流側(cè) 電流，所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板，控制板輸出PWM控制信號分別給功率開 關(guān)，同時(shí)控制板通過控制總線受到系統(tǒng)控制器的控制。
[0019] 當(dāng)所述正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn) 飛輪控制器均包括電流傳感器、功率開關(guān)、電壓傳感器、控制板、續(xù)流二極管組成。
[0020] 所述功率開關(guān)與續(xù)流二極管組成三相不對稱半橋向開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的正轉(zhuǎn)飛 輪或反轉(zhuǎn)飛輪供電，正轉(zhuǎn)飛輪或反轉(zhuǎn)飛輪的電機(jī)定子繞組串聯(lián)在不對稱半橋之中，不對稱 半橋的直流側(cè)與超級電容連接，電壓傳感器檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器檢測飛輪側(cè)電流， 所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板，控制板輸出PWM控制信號分別給功率開關(guān)，同時(shí) 控制板通過控制總線受到系統(tǒng)控制器的控制。
[0021] 本發(fā)明提出一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，根據(jù)使用環(huán) 境的不同，船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置工作過程具體包括4個(gè)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如 下：
[0022]步驟A:正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器分別控制正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪，使之達(dá) 到設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速，此過程中，飛輪儲(chǔ)存了一定的機(jī)械能，同時(shí)正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪 控制器分別從超級電容所在的直流母線吸收電能，此為模態(tài)1，即起動(dòng)模態(tài)；
[0023]步驟B:當(dāng)太陽能電池板、交流電源/負(fù)載或者直流電源/負(fù)載產(chǎn)生了多余電能時(shí)， 分別通過太陽能控制器、雙向逆變器或者雙向直流變換器向超級電容所在的直流母線注入 能量，正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器分別控制正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪，使工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速增 加，將注入的電能換換為機(jī)械能儲(chǔ)存在正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪中，此為模態(tài)2,即儲(chǔ)能模態(tài)； [0024]步驟C:當(dāng)系統(tǒng)控制器通過姿態(tài)傳感器檢測到船體的姿態(tài)變化產(chǎn)生橫搖時(shí)，正轉(zhuǎn)飛 輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器分別控制正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪根據(jù)工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行加減速，兩 個(gè)飛輪的加速度和減速度相同，因此正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控制器所產(chǎn)生的減搖轉(zhuǎn)矩 大小相同方向也相同，減小船體的橫搖幅度，其中減速飛輪輸出能量，加速飛輪吸收能量， 兩者大體相當(dāng)，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪所損耗的能量從超級電容(7)所在的直流母線吸收，此 為模態(tài)3,即減搖模態(tài)；
[0025] 步驟D:當(dāng)船舶發(fā)電裝置沒有開啟或者故障狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器、反轉(zhuǎn)飛輪控 制器分別控制正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪將工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，與此同時(shí)控制正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪 在新的工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行加減速來進(jìn)行減搖控制，由于工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)的存儲(chǔ)的機(jī)械 能可以轉(zhuǎn)換為電能注入超級電容所在的直流母線，再通過雙向逆變器和雙向直流變換器分 別向交直流負(fù)載供電，此為模態(tài)4,即應(yīng)急供電模態(tài)。
[0026] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果：
[0027] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，采用了飛輪加減速力矩進(jìn)行減搖，其工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速非常低， 不需要抽真空，機(jī)械應(yīng)力較低，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，起動(dòng)時(shí)間短。
[0028] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，采用正反轉(zhuǎn)雙飛輪結(jié)構(gòu)，減搖過程中，能量在兩個(gè)飛輪中 流動(dòng)，所需外部能量極低。通過同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)飛輪的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速，可以吸收或者釋放能量， 因此即可以作為儲(chǔ)能裝置使用，也不會(huì)影響減搖效果。
[0029] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，減搖力矩作用時(shí)間可以持續(xù)控制，因此減搖周期可以任 意調(diào)節(jié)。
[0030] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，雙飛輪轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速較低，當(dāng)船體轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力 矩相互抵消，因此不會(huì)產(chǎn)生陀螺減搖器所引起的縱搖力矩。
[0031 ]本發(fā)明的一個(gè)效果在于，飛輪減搖力矩是通過飛輪加減速得到的，響應(yīng)速度非常 快，因此減搖效果較好。而陀螺減搖器需要機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)陀螺進(jìn)動(dòng)響應(yīng)速度較低，影響減搖 效果。
[0032] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，飛輪減搖力矩是通過飛輪加減速得到的，響應(yīng)速度非常 快。
[0033] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，采用正反轉(zhuǎn)雙飛輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時(shí)，所產(chǎn)生的力矩相 互抵消，因此不會(huì)引起縱搖，也不會(huì)增加行駛阻力。
[0034] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，利用船體上安裝的太陽能電池發(fā)電并儲(chǔ)存在飛輪中，可 以在船舶主機(jī)不起動(dòng)的狀態(tài)下向船舶供電，進(jìn)行減搖控制。
[0035]本發(fā)明的一個(gè)效果在于，采用飛輪儲(chǔ)能，沒有二次污染，使用壽命長可達(dá)20年以 上，安全可靠。傳統(tǒng)的蓄電池作為應(yīng)急電源使用壽命約在3年左右，而且鋰電池有爆炸危險(xiǎn)。
【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明中船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置拓?fù)鋱D；
[0037]圖2是本發(fā)明中船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3是本發(fā)明中交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪控制器原理圖；
[0039]圖4是本發(fā)明中開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪控制器原理圖；
[0040]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件：1、正轉(zhuǎn)飛輪2、反轉(zhuǎn)飛輪3、正轉(zhuǎn)飛輪控制器4、反 轉(zhuǎn)飛輪控制器5、系統(tǒng)控制器6、姿態(tài)傳感器7、超級電容8、太陽能控制器9、太陽能電池 板10、雙向逆變器11、交流電源/負(fù)載12、雙向直流變換器13、直流電源/負(fù)載14、船體 15、控制總線101、電抗器102、電流傳感器103、功率開關(guān)104、電壓傳感器105、控制板 106、續(xù)流二極管。
【具體實(shí)施方式】
[0041 ] 實(shí)施例：
[0042] -種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，包括正轉(zhuǎn)飛輪1、反轉(zhuǎn)飛 輪2、正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4、系統(tǒng)控制器5、姿態(tài)傳感器6、超級電容7、太陽能 控制器8、太陽能電池板9、雙向逆變器10、交流電源/負(fù)載11、雙向直流變換器12、直流電源/ 負(fù)載13、船體14,如圖1所示。
[0043]所述正轉(zhuǎn)飛輪1連接正轉(zhuǎn)飛輪控制器3，反轉(zhuǎn)飛輪2連接反轉(zhuǎn)飛輪控制器4，姿態(tài)傳 感器6、正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4、太陽能控制器8、雙向逆變器10、雙向直流變換 器12均通過控制總線15與系統(tǒng)控制器5連接，太陽能電池板9與太陽能控制器8連接，交流電 源/負(fù)載11與雙向逆變器10,直流電源/負(fù)載13與雙向直流變換器12連接，正轉(zhuǎn)飛輪控制器 3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4、太陽能控制器8、雙向逆變器10、雙向直流變換器12均連接到超級電容 7所在的直流母線。
[0044] 所述太陽能電池板9安裝于船體14的上層建筑表面，系統(tǒng)其它部分安裝于船體14 的內(nèi)部。
[0045] 正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2結(jié)構(gòu)完全相同，可以由永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān) 磁阻電機(jī)、異步電機(jī)等驅(qū)動(dòng)，通過正轉(zhuǎn)飛輪控制器3和反轉(zhuǎn)飛輪控制器4的控制使飛輪盤的 轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。其中正轉(zhuǎn)飛輪控制器3和反轉(zhuǎn)飛輪控制器4結(jié)構(gòu)相同，能夠控制飛輪驅(qū)動(dòng)電 機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以控制飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。
[0046] 系統(tǒng)控制器5采用全數(shù)字化的嵌入式控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)總線例如CAN總線等對所 有系統(tǒng)模塊進(jìn)行控制。
[0047] 姿態(tài)傳感器6安裝在船體14上，主要包括加速度計(jì)、角加速度傳感器、電子羅盤等， 通過數(shù)字信號處理，用于檢測船體14的姿態(tài)，特別是橫搖狀態(tài)及其變化，由系統(tǒng)控制器5根 據(jù)減搖控制策略輸出控制信號控制正轉(zhuǎn)飛輪控制器3和反轉(zhuǎn)飛輪控制器4。
[0048] 超級電容7僅僅作為直流母線的一個(gè)支撐電容，起到能量的緩沖作用，因此可以采 用較小的容量，節(jié)約系統(tǒng)成本。
[0049] 太陽能電池板9安裝在船體14的上層建筑上，可以在主機(jī)不起動(dòng)的情況下向系統(tǒng) 注入能量。通過太陽能控制器8可以對太陽能電池板9進(jìn)行最大功率追蹤控制，最大限度地 從太陽獲取能量，并存入飛輪中。
[0050] 雙向逆變器10能夠控制能量雙向流動(dòng)，它連接直流母線和交流母線，既可以將交 流電轉(zhuǎn)化為直流電并存儲(chǔ)到飛輪中，又可以將飛輪釋放的直流電轉(zhuǎn)換為交流電提供給交流 負(fù)載。
[0051] 雙向直流變換器12能夠控制能量雙向流動(dòng)，它連接本裝置的直流母線和船載直流 母線，既可以將船載直流電源輸入飛輪中，又可以將飛輪釋放的直流電轉(zhuǎn)輸出給船載直流 母線，為船載直流設(shè)備供電。
[0052]本發(fā)明的一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置的一種實(shí)施方案為，所述正轉(zhuǎn) 飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，所對應(yīng)的正轉(zhuǎn)飛輪控制器3和反轉(zhuǎn)飛輪控制器4包括 電抗器101、電流傳感器1〇2、6個(gè)功率開關(guān)103、電壓傳感器104、控制板105,如圖3所示。所述 6個(gè)功率開關(guān)103組成三相橋通過電抗器101向正轉(zhuǎn)飛輪1或反轉(zhuǎn)飛輪2供電，三相橋的直流 側(cè)與超級電容7連接，電壓傳感器104檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器102檢測交流側(cè)電流，所 檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板105,控制板105輸出PffM控制信號分別給6個(gè)功率開 關(guān)103,同時(shí)控制板105通過控制總線15受到系統(tǒng)控制器5的控制。該飛輪控制器可以控制所 有交流飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及無刷直流電機(jī)，并且可以控制能量的雙向流動(dòng)，其控制算法存儲(chǔ) 在控制板105中。
[0053]本發(fā)明的一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置另外一種實(shí)施方案為，所述正 轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2由開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，此時(shí)所對應(yīng)的正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控 制器4均包括電流傳感器102、功率開關(guān)103、電壓傳感器104、控制板105、續(xù)流二極管106,如 圖4所示。所述6個(gè)功率開關(guān)103與6個(gè)續(xù)流二極管106組成三相不對稱半橋向開關(guān)磁阻電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的正轉(zhuǎn)飛輪1或反轉(zhuǎn)飛輪2供電，正轉(zhuǎn)飛輪1或反轉(zhuǎn)飛輪2的開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組串聯(lián) 在三相不對稱半橋之中，三相不對稱半橋的直流側(cè)與超級電容7連接，電壓傳感器104檢測 直流側(cè)電壓，電流傳感器102檢測飛輪側(cè)電流，所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板 105,控制板105輸出PffM控制信號分別給6個(gè)功率開關(guān)103,同時(shí)控制板10通過控制總線15受 到系統(tǒng)控制器5的控制。該控制器一共有3個(gè)不對稱半橋，通過增加不對稱半橋的數(shù)量可以 控制任意極數(shù)和相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)，并通過控制實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。
[0054] 一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，所述的船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控 制裝置，其特征在于，根據(jù)使用環(huán)境的不同，船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置工作過程 具體包括4個(gè)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0055] 步驟A:正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4分別控制正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2,使 之達(dá)到設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速，飛輪儲(chǔ)存了一定的機(jī)械能，此過程中，正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪 控制器4分別從超級電容7所在的直流母線吸收電能。此為模態(tài)1，即起動(dòng)模態(tài)。
[0056] 步驟B:當(dāng)太陽能電池板9、交流電源/負(fù)載11或者直流電源/負(fù)載13產(chǎn)生了多余電 能時(shí)，分別通過太陽能控制器8、雙向逆變器10或者雙向直流變換器12向超級電容7所在的 直流母線注入能量，正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4分別控制正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2， 使工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速增加，將注入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存在飛輪中。此為模態(tài)2,即儲(chǔ)能模態(tài)。 [0057]步驟C:當(dāng)系統(tǒng)控制器5通過姿態(tài)傳感器6檢測到船體14的姿態(tài)變化產(chǎn)生橫搖時(shí)，正 轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4分別控制正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2根據(jù)工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行加 減速，兩個(gè)飛輪的加速度和減速度相同，因此所正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控制器4產(chǎn)生的 減搖轉(zhuǎn)矩大小相同方向也相同，減小船體14的橫搖幅度，其中減速飛輪輸出能量，加速飛輪 吸收能量，兩者大體相當(dāng)，不足的損耗部分從直流母線吸收。此為模態(tài)3,即減搖模態(tài)。
[0058]步驟D:當(dāng)船舶發(fā)電裝置沒有開啟或者故障狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器3、反轉(zhuǎn)飛輪控 制器4分別控制正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn)飛輪2將工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，與此同時(shí)控制正轉(zhuǎn)飛輪1和反轉(zhuǎn) 飛輪2在新的工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行加減速來進(jìn)行減搖控制，由于工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)的存儲(chǔ)的 機(jī)械能可以轉(zhuǎn)換為電能注入超級電容7所在的直流母線，再通過雙向逆變器10和雙向直流 變換器12分別向交直流負(fù)載供電。此為模態(tài)4,即應(yīng)急供電模態(tài)。
[0059]對所公開的實(shí)施例的上述說明，僅用于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā) 明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定 義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，因此本 發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和創(chuàng)新點(diǎn)相 一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，包括正轉(zhuǎn)飛輪（I)、反轉(zhuǎn)飛 輪(2)、正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4)、系統(tǒng)控制器(5)、姿態(tài)傳感器(6)、超級電 容(7)、太陽能控制器(8)、太陽能電池板(9)、雙向逆變器(10)、交流電源/負(fù)載(11)、雙向直 流變換器(12)、直流電源/負(fù)載(13)、船體(14); 所述正轉(zhuǎn)飛輪（1)連接正轉(zhuǎn)飛輪控制器（3)，反轉(zhuǎn)飛輪(2)連接反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4)，太 陽能電池板(9)與太陽能控制器(8)連接，姿態(tài)傳感器(6)、正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控 制器(4)、太陽能控制器(8)、雙向逆變器（10)、雙向直流變換器（12)均通過控制總線（15)與 系統(tǒng)控制器(5)連接，交流電源/負(fù)載(11)與雙向逆變器(10)連接，直流電源/負(fù)載(13)與雙 向直流變換器（12)連接，正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4)、太陽能控制器(8)、雙向 逆變器(10 )、雙向直流變換器(12)均通過直流母線連接到超級電容(7)。2. 所述太陽能電池板(9)安裝于船體（14)的上層建筑表面，系統(tǒng)其它部分安裝于船體 (14)的內(nèi)部。如權(quán)利要求1所述一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，所 述正轉(zhuǎn)飛輪（1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)和反轉(zhuǎn)飛輪控制 器(4)均包括電抗器（101)、電流傳感器（102)、功率開關(guān)（103)、電壓傳感器（104)、控制板 (105) ； 所述功率開關(guān)（103)組成三相橋通過電抗器（101)向正轉(zhuǎn)飛輪（1)或反轉(zhuǎn)飛輪(2)供電， 三相橋的直流側(cè)與超級電容(7)連接，電壓傳感器（104)檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器（102) 檢測交流側(cè)電流，所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板（105)，控制板(105)輸出PffM控 制信號分別給功率開關(guān)（103)，同時(shí)控制板（105)通過控制總線（15)受到系統(tǒng)控制器(5)的 控制。3. 如權(quán)利要求1所述一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，所述正轉(zhuǎn) 飛輪（1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)和反轉(zhuǎn)飛輪控制器 (4)均包括電流傳感器（102)、功率開關(guān)（103)、電壓傳感器（104)、控制板（105)、續(xù)流二極管 (106) ； 所述功率開關(guān)（103)與續(xù)流二極管（106)組成三相不對稱半橋向正轉(zhuǎn)飛輪（1)或反轉(zhuǎn)飛 輪(2)供電，正轉(zhuǎn)飛輪(1)或反轉(zhuǎn)飛輪(2)的電機(jī)定子繞組串聯(lián)在不對稱半橋之中，不對稱半 橋的直流側(cè)與超級電容(7)連接，電壓傳感器（104)檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器（102)檢測 飛輪側(cè)電流，所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板(105)，控制板(105)輸出PffM控制信 號分別給功率開關(guān)（103)，同時(shí)控制板(105)通過控制總線（15)受到系統(tǒng)控制器(5)的控制。4. 如權(quán)利要求1所述的一種船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，所述正 轉(zhuǎn)飛輪（1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的雙向 流動(dòng)。5. 如權(quán)利要求1所述的船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置，其特征在于，根據(jù)使用環(huán) 境的不同，船用飛輪儲(chǔ)能與減搖一體化控制裝置工作過程具體包括4個(gè)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如 下： 步驟A:正轉(zhuǎn)飛輪控制器（3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制器（4)分別控制正轉(zhuǎn)飛輪（1)和反轉(zhuǎn)飛輪 (2) ，使之達(dá)到設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速，此過程中，飛輪儲(chǔ)存了一定的機(jī)械能，同時(shí)正轉(zhuǎn)飛輪控制器 (3) 、反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4)分別從超級電容(7)所在的直流母線吸收電能，此為模態(tài)1，即起動(dòng) 模態(tài)； 步驟B:當(dāng)太陽能電池板(9)、交流電源/負(fù)載（11)或者直流電源/負(fù)載（13)產(chǎn)生了多余 電能時(shí)，分別通過太陽能控制器(8)、雙向逆變器（10)或者雙向直流變換器（12)向超級電 容(7)所在的直流母線注入能量，正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4)分別控制正轉(zhuǎn)飛 輪(1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)，使工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速增加，將注入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存在正轉(zhuǎn)飛輪(1) 和反轉(zhuǎn)飛輪(2)中，此為模態(tài)2，即儲(chǔ)能模態(tài)； 步驟C:當(dāng)系統(tǒng)控制器(5)通過姿態(tài)傳感器(6)檢測到船體（14)的姿態(tài)變化產(chǎn)生橫搖時(shí)， 正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4)分別控制正轉(zhuǎn)飛輪（1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)根據(jù)工作轉(zhuǎn) 速點(diǎn)進(jìn)行加減速，并且加速度和減速度相同，因此正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制器(4) 所產(chǎn)生的減搖轉(zhuǎn)矩大小相同方向也相同，減小船體（14)的橫搖幅度，其中減速飛輪輸出能 量，加速飛輪吸收能量，兩者大體相當(dāng)，正轉(zhuǎn)飛輪(1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)損耗的能量從超級電容 (7)所在的直流母線吸收，此為模態(tài)3，即減搖模態(tài)； 步驟D:當(dāng)船舶發(fā)電裝置沒有開啟或者故障狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)飛輪控制器(3)、反轉(zhuǎn)飛輪控制 器(4)分別控制正轉(zhuǎn)飛輪（1)和反轉(zhuǎn)飛輪(2)將工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，與此同時(shí)控制正轉(zhuǎn)飛輪（1) 和反轉(zhuǎn)飛輪(2)在新的工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行加減速從而進(jìn)行減搖控制，由于工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，系 統(tǒng)的存儲(chǔ)的機(jī)械能可以轉(zhuǎn)換為電能注入超級電容(7)所在的直流母線，再通過雙向逆變器 (10)和雙向直流變換器(12)分別向交直流負(fù)載供電，此為模態(tài)4，即應(yīng)急供電模態(tài)。
【文檔編號】B63B39/00GK105923118SQ201610471228
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】冬雷
【申請人】冬雷