用于至少部分地补偿波动对负载的影响的主动补偿系统

技术领域

本发明涉及主动补偿系统的技术领域，该系统旨在有利地在竖向方向上至少部分地补偿波动运动对负载的影响，优选地用于波浪的主动补偿。

背景技术

主动波浪补偿，也称为"主动升沉补偿"，是通常用于起重应用的功能，其目的在于补偿与负载运动有关的船的运动。

主动升沉补偿系统传统上是液压操作的。

在这种液压解决方案中，通过将蓄能器集成到起重机的液压网络中来分摊必要的动力。然后，蓄能器能够提供必要的动力增加并吸收返回的大部分能量。

但是，液压方案不再符合减少环境影响的动力学要求，这导致设备的电气化，包括用于波浪的主动补偿。

但是，用于主动升沉补偿的该"电气化"方法导致船的较高功率需求，该需求具有大的变化(负载下降/下沉)。

为了限制船上所需的电力和平衡需求，一种解决方案是为电气系统配备电能存储装置。

因此，当抬升负载时，当所需功率大于额定最大值时，电能存储器分配功率。

但是这种方法在负载的下沉阶段(或称为“下降阶段”)期间造成如下问题：

-需要管理由马达返回的电能，以及

-电能需求总是存在显著变化，特别是由于在下沉阶段期间对电功率的需求显著降低。

更普遍地，总是有利的是具有新的主动补偿系统，其适于至少部分地补偿通常在竖向方向上的波动运动对负载的影响。

发明内容

为了弥补现有技术的上述缺点，本发明提出了一种主动补偿系统，其旨在有利地在竖向方向上至少部分地补偿波动运动对负载的影响，优选地用于主动升沉补偿。

更具体地，本发明涉及一种主动补偿系统，其包括：

-电动马达装置，其适于在所述波动运动的第一阶段期间、优选地在抬升阶段期间操纵所述负载，在所述抬升阶段期间，所述负载从低位置被抬升到高位置，

-电源装置，其电连接到电动马达装置，用于为所述电动马达装置供电，

-电存储装置，其电连接到电动马达装置，以在波动运动的所述第一阶段期间完成对所述电动马达装置的供电，

-控制装置，其用于控制所述主动补偿系统。

并且，根据本发明，所述电源装置还电连接到电存储装置，以便为所述电存储装置供电。

主动补偿系统还包括电能耗散装置，其电连接到电动马达装置，以便在所述升沉运动的第二阶段、优选地下沉阶段期间将由所述电动马达装置产生/返回的电能转换成热能，在该下沉阶段期间，所述负载从所述高位置下沉到所述低位置。

控制装置包括操控模块，该操控模块设计成：

-在所述波动运动的第一阶段期间使所述电存储装置放电，以便除了所述电源装置之外参与对所述电动马达装置的供电，以及

-在所述波动运动的第二阶段期间，通过所述电源装置对所述电存储装置进行再充电。

在根据本发明的技术方案中，对电存储装置的充电由电源装置执行。

根据本发明的技术方案具有各种优点：

-通过电存储装置限制峰值，在波动运动的第一阶段期间减少电源装置所需的功率，以及

-平衡电源装置所需的功率：当电动马达装置的功率需求不是最大值时(特别是在升沉运动的第二阶段期间)，用于电存储装置的充电功率保持功率需求稳定，

-在所述波动运动的第二阶段期间由电动马达装置恢复的电能被电能耗散装置吸收(而不存储在电存储装置中)。

根据本发明的产品的其它非限制性和有利的特征，单独地或根据所有技术上可能的组合，如下所示：

-在所述波动运动的第二阶段期间由电动马达装置恢复的电能被电能耗散装置吸收，而不被存储在电存储装置中；

-所述电存储装置选自至少一个电容器、至少一个超级电容器、至少一个电池或至少一个具有飞轮的电动马达/发电机；

-电能耗散装置包括制动电阻器装置(斩波器/制动电阻器)；

-电源装置由船舶的电源装置组成；

-控制装置包括：电压测量装置，其用于测量电源装置的电压值；比较模块，其用于将所述测量电压值与低阈值电压值和高阈值电压值进行比较；以及操控模块，其适于当测量电压值低于低阈值电压值时对所述电存储装置放电，并且当测量电压值高于所述高阈值电压值时对所述电存储装置再充电；

-所述电存储装置并联地电连接在所述电源装置和所述电动马达装置之间；

-电源装置经由整流器装置和DC/DC转换器装置电连接到电存储装置；

-所述电源装置经由双向或单向的整流器装置和逆变器装置电连接至所述电动马达装置；

-所述电存储装置经由单向的DC/DC转换器装置电连接到所述电动马达装置；

-电能耗散装置经由单向DC/DC转换器装置电连接到电动马达装置。

本发明还涉及一种配备有根据本发明的主动补偿系统的船舶。

本发明还涉及根据本发明的船舶内的主动补偿的方法，其旨在有利地是在竖向方向上至少部分地补偿波动运动对负载的影响，优选地用于波浪的主动补偿。

该方法包括连续的循环，所述连续的循环包括两个步骤：

-第一步骤，对应于波动运动的第一阶段，优选地为所述负载从低位置抬升到高位置的抬升阶段，在该第一阶段期间，所述电存储装置放电，以便除了所述电源装置之外参与对所述电动马达装置的供电，以及

-第二步骤，对应于波动运动的第二阶段，优选地为所述负载从高位置下沉到低位置的下沉阶段，在该第二阶段期间，经由所述电源装置对电存储装置进行再充电，并且经由所述电能耗散装置将由电动马达装置产生的能量转换为热能。

当然，本发明的不同特征、变型和实施例可以各种组合彼此相关联，只要它们不是彼此不相容的或排他的。

附图说明

此外，本发明的各种其它特征从参考附图做出的所附描述中显现，附图图示了本发明的实施例的非限制性形式，并且其中：

图1示出了根据本发明的主动补偿系统的示意图；

图2示出了能够配备有根据本发明的主动补偿系统的设备的示意图。

应当注意，在这些附图中，不同变型所共有的结构和/或功能元件可以具有相同的附图标记。

具体实施方式

因此，本发明涉及一种主动补偿系统1，其旨在至少部分地补偿优选地在竖向方向上或可能地在至少一个其它方向(例如，至少水平方向)上的波动运动对负载C的影响。

通常，这种运动负载C通常在竖向方向上在两个位置之间被操纵：

低位置和高位置。

并且，作为根据竖向方向的运动的一部分，升沉运动包括两个阶段：

-抬升阶段(也称为“提升/升起阶段”)，在此期间，负载C从低位置抬升到高位置，以及

-下沉阶段(也称为“降落/下降阶段”)，在此期间，负载C从高位置下沉到低位置。

根据本发明的主动补偿系统1优选地适合于主动波浪补偿(也称为"主动升沉补偿")。

负载C可以随后被浸没或部分浸没。

这种主动升沉补偿可以用于任何类型的负载C，例如待由起重机G或其它起重机运输的负载(图2)、浸没在水下的建造物(例如用于铺设管道的设备)等。

通常，根据本发明的主动补偿系统1使得可以特别地优化起重机G(图2)中的电功率需求。因此，其适用于起重机G的电功率的任何峰值需求。

根据本发明的主动补偿系统1还适用于由于负载上的波动运动而呈现电功率需求峰值的任何装置，尤其适用于波浪的主动补偿。

这种主动补偿系统1特别地旨在装备有船舶，该船舶有利地包括起重机G或水平位置补偿设备。

术语"船"具体涵盖海上船(未示出)，尤其是管道铺设船或用于风力涡轮机单基支撑件(也称为"单桩")的铺设船。

术语"起重设备"尤其包括绞盘、起重机G的悬臂(例如通过抬升和下沉悬臂和/或通过改变悬臂的长度)。

根据本发明的主动补偿系统1有利地包括主动补偿电气系统1，该主动补偿电气系统1有利地包括配备有下面参考图1描述的各种电气部件的电路1a。

根据本发明，主动补偿系统1包括：

-电动马达装置2，其适于在波动运动的第一阶段A、优选地在抬升阶段期间操纵负载，

-电源装置3，其电连接到电动马达装置2，以便为这些电动马达装置2供电，

-电存储装置4，其电连接到电动马达装置2，以在波动运动的第一阶段A期间完成对电动马达装置2的供电，以及

-控制装置5，其用于控制主动补偿系统1。

并且，根据本发明，电源装置3还电连接到电存储装置4，以便为这些电存储装置4供电。

通常，电存储装置4因此旨在由电源装置3充电。

在波动运动的第一阶段期间，DC总线上所需的功率大于标称最大值；电存储装置4在波动运动的第一阶段A期间分配电力以完成对电动马达装置2的供电。

相反，电存储装置4在所需电力小于最大值的时间段期间被充电，从而进一步减小电功率需求波动。

仍然根据本发明，主动补偿系统1还包括电能耗散装置6，该电能耗散装置6电连接至电动马达装置2以在升沉运动的第二阶段B(优选地为下沉阶段)期间将由电动马达装置2产生的电能转换成热能。

下面进一步详细描述根据本发明的主动补偿系统1的特性。

通常，考虑到相对于电源装置3的相对布置，通过术语"上游"/"下游"来进一步描述电路1a上的部件的相对布置。

电源装置3有利地由交流电发电机或交流发电机构成。

优选地，电源装置3由配备有主动补偿系统1的船舶的电源装置3组成。

在这种情况下，电源装置3也被称为"轮船电源"或VPS。

有利地，电源装置3经由整流器装置11(REC)优选双向或单向地电连接至电动马达装置2。

整流器装置11从来自船舶的配电板31(也称为VSW或"轮船配电板")的交流或直流电流产生直流电压。

当船舶接受电能返回到电网时，整流器装置11有利地为双向的；否则整流器装置11有利地为单向的。

在这种情况下，整流器装置11有利地安装在电路1a的主支路1a1(或主电线)上。

电源装置3以及在适用的情况下整流器装置11有利地形成"主电源"模块，也称为"船舶电源"(VPS)。

电动马达装置2有利地包括并联连接到电路1a的至少两个电动马达21。

电动马达21有利地由电动发电机构成：

-在波动运动的第一阶段A期间，电动马达装置21提供沿第一竖向方向驱动负载的马达/电动机功能，以及

-在波动运动的第二阶段B期间，能量被恢复，并且电动马达装置21提供发电机功能。

有利地，电动马达装置2经由逆变器装置22电连接到电路1a。

电动马达装置2有利地配备有由船舶携带的起重机或任何其他操纵设备。

电存储装置4也被称为"存储电容"或SCA。

电存储装置4有利地限制电源装置3所需的电力并平衡负载。

有利地，电存储装置4选自至少一个电容器、至少一个超级电容器、至少一个蓄电池或至少一个具有飞轮的电动马达/发电机。

电存储装置4可以包括串联连接、并联连接或其任意组合的若干电容器、超级电容器、蓄电池或具有飞轮的电动马达/发电机。

电存储装置4的尺寸设计适合于主动补偿系统1的需要。可以根据运动负载的有利地在竖向方向上的运动特性(速度、幅度等)来确定电存储装置4的尺寸。

有利地，电存储装置4并联地电连接在电源装置3和电动马达装置2之间。

换而言之，电存储装置4有利地并联或以支路方式安装在电路1a的次级支路1a2上。

再换而言之，有利地，电存储装置4并联地电连接到电源装置3，以向电动马达装置2供电。

电路1a有利地包括至少两个支路：

-主支路1a1，其有利地包括整流器装置11，以及

-次级支路1a2，其有利地包括电存储装置4。

第二支路1a2有利地构成能量存储模块或"能量存储器"(EST)。

有利地，电存储装置4的充电和放电是双向的，取决于总线的需求(DC电压电平)，而不是专用于功能。

电存储装置4用于平衡能量需求、优化能量效率以及减少电网上的需求峰值。

优选地，电源装置3通过以下方式电连接至电存储装置4：

-整流器装置8，以及

-DC/DC转换器装置9(也称为"DC-DC转换器"或DCC)，其在电存储装置4的上游(在其输入端)。

整流器装置8——按照常规也称为AC/DC转换器——用于从提供交流电的电源装置3向电存储装置4提供直流电。

在上游的转换器装置9适配为确保将电源电压转换为电存储装置4的合适的充电电压。

因此，有利地，电存储装置4通过自身的整流器装置8与电源装置3连接。

有利地，从电源装置3到电存储装置4的电能分配基于整流器装置8和DC/DC转换器装置9的这种组合。

整流器装置8和DC/DC转换器装置9可以是单独的模块，或者两个功能可以集成到单个模块中。

有利地，整流器装置8和转换器装置9位于电路1a的次级支路1a2上，位于电存储装置4的上游。

有利地，整流器装置8和DC/DC转换器装置9在电存储装置4的上游串联连接(依次是整流器装置8、DC/DC转换器装置9及电存储装置4)。

有利地，电存储装置4经由单向DC/DC转换器装置10(从电存储装置4到电动马达装置2的电流方向)电连接到电动马达装置2。

单向DC/DC转换器装置10有利地位于电路1a的次级支路1a2上，位于电存储装置4的下游。

在下游的单向DC/DC转换器装置10适配为确保将来自电存储装置4的电源电压转换为电动马达装置2的适当电压。

通常，并且优选地，在充电阶段期间电存储装置4出现故障或过载的情况下，电能耗散装置6有利地吸收过电压并且确保公共DC总线。

电能耗散装置6有利地包括制动电阻器装置(也称为"斩波/制动电阻器")，也称为"电阻器"或RES。

电能耗散装置6经由单向转换器装置12(优选为DC-DC或DC-AC)电连接到电路1a。

单向转换器装置12也被称为"转换器"或CON。

单向转换器装置12适配为确保将来自电动马达装置2的电源电压转换为适合于电能耗散装置6的电压(从电动马达装置2到电能耗散装置6的电流方向)。

有利地，电能耗散装置6和单向转换器装置12串联安装在电路1a的第三支路1a3上。

电能耗散装置6和如果必要的话单向转换器装置12形成电制动模块，也称为"制动单元"(BUN)。

通常，控制装置5有利地包括操控模块51，该操控模块设计成：

-在升沉运动的第一阶段A期间使电存储装置4放电，以便除了电源装置3之外参与对电动马达装置2的供电，以及

-在波动运动的第二阶段B期间经由电源装置3对电存储装置4再充电。

为此，控制装置5有利地包括：

-电压测量装置52，其用于测量电源装置3的电压值，

-比较模块53，其用于将测量的电压值与低阈值电压值和高阈值电压值进行比较，以及

-所述操控模块51，其设计成当测量的电压值低于低阈值电压值时使电存储装置4放电，并且当测量的电压值高于高阈值电压值时使电存储装置4再充电。

通常，控制装置5还有利地包括主动补偿模块55，该主动补偿模块55设计为通过考虑来自运动获取模块(也称为"运动参考单元"，简称"MRU")的数据来控制电动马达装置2，以便将负载稳定在竖向位置。

如果需要，主动补偿模块55因此被构造成控制电动马达装置2以补偿由波浪引起的船舶的运动。

这样的主动补偿模块55因此提供了负载的精确定位，使得可以将该负载维持在恒定的竖向位置。

根据优选实施例，主动补偿模块55包括：

-用于从运动获取模块收集数据的装置，

-处理装置，用于确定用于电动马达装置2的控制指令，该控制指令适于稳定负载，以及

-控制装置，用于通过考虑所述控制指令来控制所述电动马达装置2。

实际上，并且通常，控制装置5包括计算机。并且操控模块51和主动补偿模块55包括至少一个计算机程序，该计算机程序包括指令，当所述计算机程序由所述计算机执行时，这些指令形成所述控制装置5的各个模块。

操控模块51因此有利地构成计算机控制系统，其使得能够控制：

-在波动运动的第一阶段A期间使电存储装置4泄放电荷，以及

-在波动运动的第二阶段B期间经由电源装置3对电存储装置4进行再充电。

因此，有利地，主动补偿模块55构成计算机控制系统，其使得可以通过使用电动马达装置2来维持负载的位置(补偿由波浪引起的运动)。

本发明还涉及用于根据本发明的船舶内的主动补偿方法。

该方法旨在至少部分地补偿有利地在竖向方向上和/或可选地在至少一个其他方向上的波动运动对负载的影响，优选地用于主动补偿波浪。

根据本发明的方法包括连续的循环周期，所述连续的循环周期包括两个步骤：

-第一阶段，对应于波动运动的第一阶段A，优选地为负载从低位置抬升到高位置的抬升阶段，在该阶段期间，所述电存储装置4放电，以便除了电源装置3之外也参与对所述电动马达装置2的供电，以及

-第二阶段，对应于波动运动的第二阶段B，优选地为负载从高位置下沉到低位置的下沉阶段，在该阶段期间，电存储装置4经由所述电源装置3进行再充电，并且由电动马达装置2产生的能量被所述电能耗散装置6转换成热能。

当然，在所附权利要求的范围内可以对本发明进行各种其它修改。