專利名稱：升沉補償系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主動升沉補償系統(tǒng)以及一種主動升沉補償方法。
背景技術(shù)：
升沉補償多年以來已經(jīng)是眾所周知的了。已經(jīng)提供了許多解決方案，其中一些將 在下面進行詳述?？傮w上，升沉補償是為負(fù)載上的波浪運動提供補償。該負(fù)載可能被浸沒 或者部分浸沒，由此經(jīng)受波浪運動。還有，或者代替所述情形，可能出現(xiàn)的情況是負(fù)載被浮 動平臺(例如船)保持，而該浮動平臺則經(jīng)受波浪運動。另外，可能期望升沉運動的許多其 他情形也可以被可想象，例如這樣的情況將負(fù)載從浮動平臺中取走或者將負(fù)載放置在浮 動平臺上，其中該浮動平臺經(jīng)受波浪運動?？梢詾槿魏畏N類的負(fù)載提供升沉補償，例如，通 過吊車或其他提升設(shè)施來運送的負(fù)載、浸沒在水中的構(gòu)造(例如管道鋪設(shè)設(shè)備)等等。要 理解的是，上述示例僅僅用于說明，而并不意圖以任何方式限制該文獻的范圍。升沉補償系統(tǒng)可以被細(xì)分為主動升沉補償系統(tǒng)和被動升沉補償系統(tǒng)。也可以提供 主動和被動系統(tǒng)的組合。在被動升沉補償系統(tǒng)中，以氣體彈簧、液壓系統(tǒng)等等的形式來提供 可壓縮介質(zhì)，以便提供補償。在主動升沉補償系統(tǒng)中，提供致動器以便主動地對波浪運動的 效果進行補償。在文獻中已經(jīng)描述了許多構(gòu)造。通常，在主動升沉補償系統(tǒng)中，該用途由液 壓系統(tǒng)來實現(xiàn)。舉例來說，可以提供與波浪運動同步伸長和壓縮的液壓缸，由此與例如保持 負(fù)載的線纜相互作用。在每個波浪中，能量將被提供給液壓系統(tǒng)，以便施加力到負(fù)載上。在 升沉運動周期的另一個部分中，該能量中的一些可以被回收，并且例如通過氣體的壓縮而 被存儲。在下一個周期中，該壓縮的氣體然后可以被應(yīng)用于驅(qū)動該負(fù)載，或者至少對其有所貝獻。雖然液壓/氣壓主動升沉補償已經(jīng)在許多配置中被廣泛使用，但是不利的方面在 于該設(shè)置導(dǎo)致了復(fù)雜的系統(tǒng)，并且涉及液壓流體的滲漏風(fēng)險，結(jié)果在一方面導(dǎo)致相對復(fù)雜 且昂貴的系統(tǒng)，同時在另一方面需要定期且可靠的維護，以便避免滲漏以及由此引起的環(huán) 境污染的風(fēng)險。

發(fā)明內(nèi)容
為了至少部分地對主動升沉補償系統(tǒng)的以上缺點進行補償，發(fā)明人設(shè)計了一種主 動升沉補償系統(tǒng)，其包括與負(fù)載相互作用的電動發(fā)電機(motor-generator)以及被布置成 控制該電動發(fā)電機的操作的控制單元，該控制單元被布置成-操作該電動發(fā)電機以便在波浪運動周期的第一部分中驅(qū)動該負(fù)載；并且-操作該電動發(fā)電機以便在該波浪運動周期的第二部分中使能量的至少一部分再 生，該能量在該波浪運動周期的第一部分中已經(jīng)被用來對該負(fù)載進行驅(qū)動。該主動升沉補償系統(tǒng)包括電存儲元件，以便緩存所再生的能量的至少一部分，用 于在波浪運動的接下來的周期中給電動發(fā)電機供電。這樣，根據(jù)本發(fā)明的主動升沉補償系統(tǒng)包括電動發(fā)電機和電存儲元件的組合。在波浪運動周期的第一部分中，電動發(fā)電機用作電動機并且驅(qū)動負(fù)載。在波浪運動周期的第 二部分中，能量被回收，并且電動發(fā)電機被用作發(fā)電機，由此再生在波浪運動周期的第一部 分中已經(jīng)用來驅(qū)動負(fù)載的能量的至少一部分。所再生的能量被保存在電存儲元件中。現(xiàn)在， 所儲存的能量可以被用來在波浪運動接下來的周期的第一部分中給電動發(fā)電機供電。在本 發(fā)明的范圍內(nèi)，關(guān)于電動發(fā)電機，可使用分離的電動機和分離的發(fā)電機，其中這兩者都與負(fù) 載相互作用，然而在有利的實施例中，可使用充當(dāng)發(fā)電機的電動機類型，這樣，電動機在不 被提供電能而是由對應(yīng)的負(fù)載運動機械地驅(qū)動時產(chǎn)生電能，由此用作發(fā)電機?？梢蕴峁┤?何類型的電動發(fā)電機，舉例來說，該用途可以由三相異步電動機來實現(xiàn)。術(shù)語“電動發(fā)電機” 一般可以被定義成適于將電能轉(zhuǎn)換成運動以及適于將運動轉(zhuǎn)換成電能的裝置。任何類型的 電存儲元件都能被使用，然而優(yōu)選應(yīng)用電容器，因為電容器能夠提供低損耗的存儲器，由此 增強升沉補償系統(tǒng)的能量效率。優(yōu)選地，電容器包括超級電容器，因為這樣能夠以相對較小 的體積提供高電容值，并且因此能夠提供高的蓄能容量。此外，超級電容器可以提供低的串 聯(lián)電阻，因此允許低損耗的能量儲存；可以允許快速充電和放電；可以提供高效率；并且可 以提供長的使用壽命。而且，還能將電池和電容器(例如超級電容器)的組合用作電存儲 元件。雖然電容器能夠提供高的輸出能量，但是電池能夠在相對長的時段期間提供能量，因 此這樣的組合能夠從兩者的特征中受益。根據(jù)本發(fā)明，可以提供控制單元以便控制電動發(fā)電機，從而在波浪運動周期的第 一部分中驅(qū)動負(fù)載，并且在波浪運動周期的第二部分中再生能量。該控制單元(包括例如 微控制器、微處理器、或者任何可編程邏輯器件，例如具備合適的程序指令以便執(zhí)行所述動 作的可編程邏輯器件)可以又例如控制與電動發(fā)電機相關(guān)聯(lián)的電力供應(yīng)。該控制單元可以 由此將電力供應(yīng)控制成在周期的第一部分中給電動發(fā)電機供電以驅(qū)動負(fù)載，而在該周期 的第二部分中使能量的至少一部分再生。存儲元件(例如，超級電容器)能夠以許多方式被電連接。當(dāng)存儲元件被并聯(lián)地 電連接到電源以便給電動發(fā)電機供電時，則實現(xiàn)了一種有利的配置。電源可以由例如電網(wǎng) 電壓(main voltage)、包括了主動升沉補償系統(tǒng)的設(shè)施的供電電壓等等形成。由此，功率上 的峰值提供了符合波浪運動周期第一部分中的電功率提取以及該波浪運動周期第二部分 中的再生的電源電壓，可由于通過存儲元件(特別是超級電容器)對電源的緩存而得以減在另一個有利的實施例中，可以提供電連接在電動發(fā)電機和存儲元件之間的轉(zhuǎn)換 器。該轉(zhuǎn)換器可以將電動發(fā)電機的電壓轉(zhuǎn)換成存儲元件的充電電壓以及反過來將存儲元件 的放電電壓轉(zhuǎn)換成電動發(fā)電機的電壓。該轉(zhuǎn)換器可以由此提供電壓電平轉(zhuǎn)換，以便考慮電 動發(fā)電機或其他電源元件與存儲元件在電壓電平中的差異。特別地，當(dāng)利用電容器(例如 存儲元件中的超級電容器)時，轉(zhuǎn)換器可以提供向該電容器/超級電容器的合適充電電壓 的轉(zhuǎn)換，以及提供其放電電壓的轉(zhuǎn)換，從而可允許該(超級)電容器用在寬的電壓范圍上， 并且由此被用在寬的充電/放電范圍上。轉(zhuǎn)換器可以包括任何合適的轉(zhuǎn)換器，在優(yōu)選實施 例中可以應(yīng)用雙向直流_直流轉(zhuǎn)換器(例如開關(guān)轉(zhuǎn)換器)，因為由此可以提供低損耗轉(zhuǎn)換。在本文件中已經(jīng)引用了電容器或超級電容器的地方，這可以被理解成包括多個電 容器/超級電容器，其可以是串聯(lián)的、并聯(lián)的或它們的任何組合。當(dāng)存儲元件包括多個(超級)電容器時，轉(zhuǎn)換器可以包括開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(switching
5network)，以使電容器在串聯(lián)和/或并聯(lián)組合形式中切換。由此，可以提供低損耗轉(zhuǎn)換舉 例來說，提供給轉(zhuǎn)換器用于對電容器充電的電壓越低，則更多的電容器被設(shè)置成并聯(lián)的，而 提供給轉(zhuǎn)換器的電壓越高，則更多的電容器串聯(lián)連接。由此，通過使電容器在串聯(lián)/并聯(lián)配 置中切換，獨立的電容器的工作電壓范圍可以適應(yīng)為充電而設(shè)的電壓。對于放電，可以應(yīng)用 相同的原理。在另一個實施例中，當(dāng)應(yīng)用(電容器)作為存儲元件時，轉(zhuǎn)換器可以包括電感器以 便與超級電容器一起形成電感器-電容器諧振電路。為了獲得最優(yōu)的結(jié)果，該諧振電路的 諧振頻率可以適合于波浪運動的循環(huán)頻率。由此，可以提供低損耗轉(zhuǎn)換，特別是當(dāng)諧振頻率 已經(jīng)適合于波浪運動的循環(huán)頻率時，因為由此提供能量以及存儲再生能量的周期可以與該 諧振電路的諧振模式同步?？刂茊卧梢园妷簻y量裝置，用于測量電源的電壓。該控制單元可以由此被 布置成將所測量的電壓與低和高閾值電壓進行比較，以便驅(qū)動該轉(zhuǎn)換器，從而當(dāng)該電壓超 過高閾值電壓值時，對電存儲元件充電，以及當(dāng)所測量的電壓達到(succeed)低閾值時使 電存儲元件放電。由此，可以提供簡單的控制算法，當(dāng)在低供電電壓的情況下(S卩，電動機 提取高電流的情況下)，電存儲元件被放電，由此提供用于驅(qū)動電動發(fā)電機的能量，以及在 供電電壓為高從而指示能力被電動發(fā)電機再生的情況下，轉(zhuǎn)換器被操作以便給(超級)電 容器充電，由此存儲所再生的能量?？商娲兀摽刂茊卧梢园娏鳒y量裝置，用于測量由電源提供的電流。由 此，控制單元可以被布置成將所測量的電流與電流設(shè)定點進行比較，用于當(dāng)所測量的電流 超過該電流設(shè)定點時驅(qū)動轉(zhuǎn)換器以便使電存儲元件放電，以及當(dāng)該電流設(shè)定點超過所測量 的電流時給電存儲元件充電?？梢蕴峁┖唵蔚目刂扑惴ǎ瑥亩诟吖╇婋娏鞯那闆r下(也 就是說在電動機提取高電流的情況下)，使該電存儲元件放電，由此提供能量用于驅(qū)動該電 動發(fā)電機。在電力供應(yīng)電流為低從而指示能量被電動發(fā)電機再生的情形中，該轉(zhuǎn)換器被操 作以便給(超級)電容器充電，由此存儲所再生的能量。在另外的有利實施例中，控制單元可以布置成測量電存儲元件的操作電壓，并且 當(dāng)該存儲元件的操作電壓超過最大操作電壓時，連接電功率耗散器，由此在最大電壓被超 過的情況下通過消散存儲在存儲元件中的能量的一部分來防止存儲元件過載。在另一個實 施例中，該過剩能量可以被饋送回到電力供應(yīng)。將該能量用在船上的其它地方將可能會是 有利的。在另外的實施例中，控制單元被布置成將存儲元件電壓的時間平均值與預(yù)定的存 儲電壓設(shè)定點進行比較。該預(yù)定的存儲電壓設(shè)定點表示存儲元件的期望操作電壓。因為在 每個波浪運動周期中能量將被消散在線纜以及電動發(fā)電機內(nèi)，所以可以預(yù)期存儲元件的平 均工作電壓將減小。當(dāng)在那種情況下時，控制單元可以修改當(dāng)前設(shè)定點，控制單元可以驅(qū)動 電源從而提供能量以便對損耗進行補償。在本發(fā)明的另一個實施例中，控制單元包括測量裝置，該測量裝置用于測量代表 待補償升沉運動的變量。該變量可以是波浪相關(guān)的變量、升沉相關(guān)的變量或電動發(fā)電機相 關(guān)的變量，等等。這可以涉及任何合適的參數(shù)，例如水的深度(通過例如超聲傳感器之類的 合適的傳感器進行測量)，線纜的加速度、負(fù)載等等(例如通過加速度傳感器進行測量)，線 纜的角度等等(例如通過測角器進行測量)，或者風(fēng)速(通過空氣流速計進行測量)。該控
6制單元被布置成基于所測量的變量驅(qū)動轉(zhuǎn)換器，以便給電存儲元件充電或者使該電存儲元 件放電，從而提供或者緩存升沉補償所涉及電能的至少一部分?？刂茊卧€可以布置成驅(qū) 動電源，以便提供或者接收升沉補償所涉及電能的至少一部分。由此，存儲元件和/或電源 可以迅速地開始供給或者緩存升沉運動補償所涉及的能量，從而導(dǎo)致更好的升沉補償或者 更低的能量損耗。根據(jù)本發(fā)明的升沉補償方法也可以提供與利用根據(jù)本發(fā)明的升沉補償系統(tǒng)所實 現(xiàn)的相同或相似的優(yōu)點及優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明的方法提供了一種用于至少部分地補償 負(fù)載上的波浪運動效果的主動升沉補償方法，該方法包括-操作電動發(fā)電機，該電動發(fā)電機在波浪運動周期的第一部分中與負(fù)載相互作用 以便驅(qū)動該負(fù)載；并且-操作該電動發(fā)電機以便在該波浪運動周期的第二部分中使能量的至少一部分再 生，該能量在該波浪運動周期的第一部分中已經(jīng)被用來驅(qū)動該負(fù)載，其中，所再生的能量的至少一部分被緩存在電存儲元件中，以便在波浪運動接下 來的周期中給電動發(fā)電機供電。


從公開了本發(fā)明的非限制性實施例的附圖以及對應(yīng)的描述，本發(fā)明的更多的特征 效果以及優(yōu)點將變得明顯，附圖中圖1示出了從浮動平臺淹沒的負(fù)載的高度示意性配置；圖2示出了高度示意性的具有補償?shù)纳猎O(shè)施；圖3示出了波浪運動的高度示意性圖示；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面的波浪運動補償?shù)母叨仁疽庑詧D示；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的升沉補償?shù)牧硪粋€實施例；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的升沉補償?shù)挠忠粋€實施例；圖7a 7c示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的電容器配置；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的諧振電路；圖9a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的控制單元的功能布局；圖9b示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的控制單元的另一種功能布局；以及圖10示出了具有實心橫搖阻尼壓艙物(solid roll damping ballast)的示意性 剖視圖。
具體實施例方式圖1示出了通過提升設(shè)施LI (例如吊車)保持的部分淹沒的負(fù)載L的高度示意性 視圖，提升設(shè)施LI被定位在浮動平臺FP(例如船)上。波浪運動將導(dǎo)致豎直力，由此提供 負(fù)載L和浮動平臺FP的周期性豎直運動。作為其結(jié)果，力將周期性地作用在提升設(shè)施LI 的線纜CA上。升沉補償意在補償該波浪周期運動，以便由此避免對負(fù)載的可能損害，避免 使提升設(shè)施LI的線纜CA過載，等等。雖然在圖1中示出了負(fù)載和保持提升設(shè)施LI的平臺 都被部分淹沒的示例，但是負(fù)載和提升設(shè)施中的一個被固定地安裝也是可能的，舉例來說， 提升設(shè)施可以被安裝在碼頭上，或者負(fù)載將被放置在碼頭上而提升設(shè)施被安裝在浮動平臺
7上。許多其他配置都是可能的。例如，負(fù)載被淹沒并且需要被穩(wěn)定，而保持提升設(shè)施的浮動 平臺則經(jīng)受波浪運動。線纜CA被卷繞在絞車WI上。致動絞車WI以卷起線纜CA將提升負(fù) 載L，反之亦然。圖2高度示意性地示出了可以被應(yīng)用在傳統(tǒng)升沉補償系統(tǒng)中的構(gòu)造的一個示例， 其再次示出了提升設(shè)施Li，該提升設(shè)施LI具有保持負(fù)載L的線纜CA。線纜CA經(jīng)由連接到 液壓缸HC的滑輪PW引導(dǎo)。通過使液壓缸HC的活塞PI向下運動，連接到活塞的滑輪也向 下運動。由此，經(jīng)由滑輪PW引導(dǎo)的線纜CA的環(huán)的長度在長度上被改變，取決于活塞PI的 運動方向，這將導(dǎo)致負(fù)載相應(yīng)地被提升或降低。液壓缸HC可以被主動地驅(qū)動，由此獲得主 動升沉補償系統(tǒng)。同樣地或者另外地，可以由氣體彈簧來實現(xiàn)該用途，例如，通過具有可壓 縮氣體的封閉容積形成的氣體彈簧，其作用在部分由液壓缸HC形成的液壓系統(tǒng)上。如在圖3中示意性示出那樣，波浪運動的周期將導(dǎo)致負(fù)載或提升設(shè)施或兩者上的 向上力和向下力的周期性模式(pattern)。圖4高度示意性示出了根據(jù)本該發(fā)明的主動升沉補償系統(tǒng)的一部分。電動發(fā)電機 M/G由電力供應(yīng)PS(例如，逆變器)驅(qū)動。電力供應(yīng)PS由電力線PL(例如，電網(wǎng))供電，所 述電力線PL由電源SRC(例如，發(fā)電機)供應(yīng)電力。電力供應(yīng)PS由控制器CON控制，控制 器CON可以包括任何合適的控制裝置，例如微控制器、微處理器、邏輯電子電路或者任何其 他可編程邏輯器件。在控制器CON和電力供應(yīng)PS之間的連接由虛線示意性指示?？梢蕴峁?任何種類的連接，例如串聯(lián)或并聯(lián)的數(shù)據(jù)總線、控制線、玻璃纖維或任何合適的連接。電動 發(fā)電機M/G可以以任何方式與圖1和圖2所示的負(fù)載相互作用。在優(yōu)選實施例中，電動發(fā) 電機M/G作用在其上卷繞有線纜CA的絞車WI上。電動發(fā)電機M/G可以例如驅(qū)動絞車WI， 然而許多其他配置也是可想象的?？赡艿氖纠牵妱影l(fā)電機作用在提升設(shè)施的臂AR上， 例如通過提升和降低該臂和/或伸長它們的長度。圖4進一步示出了能量儲存元件，在該示例中是電容器，例如超級電容器。雖然在 圖4中僅僅示出了單個電容器，但是電容器可以包括多個(超級)電容器以串聯(lián)、并聯(lián)或 它們的任何合適組合的形式的組合。在波浪運動周期的第一部分中，控制單元CON控制電 力供應(yīng)PS以給電動發(fā)電機提供電能，由此導(dǎo)致電動發(fā)電機作用于負(fù)載，從而給負(fù)載提供能 量。在波浪運動周期的第二部分中，控制單元CON控制電力供應(yīng)，以便使電動發(fā)電機再生在 波浪運動周期的第一部分中已經(jīng)被用來驅(qū)動負(fù)載的能量的至少一部分?，F(xiàn)在，電動發(fā)電機 用作發(fā)電機。有效地，在波浪運動周期的第一部分中，能量被提供給負(fù)載以便用于穩(wěn)定，而 在波形的第二部分中，該能量的至少一部分被電動發(fā)電機再生，所再生的能量被至少部分 地存儲在電存儲元件中?，F(xiàn)在，如此存儲的能量可以被用來在接著的波浪運動周期的第一 部分中用于給電動發(fā)電機供電。由此，可避免使用液壓系統(tǒng)，包括避免其相關(guān)的不利因素， 例如復(fù)雜性、滲漏的風(fēng)險、需要定期維護，等等，而在另一方面則可以獲得緊湊、低成本和/ 或低維護保養(yǎng)的配置。此外，通過能量的再生可以減小升沉補償系統(tǒng)的能量消耗?？刂茊卧梢杂煞蛛x的控制單元形成，然而，控制單元形成為現(xiàn)有提升設(shè)施或任 何其他設(shè)施的控制單元的一部分也是可能的。例如，控制單元具備感測波浪運動的傳感器 是可能的，傳感器由此提供合適的信號給控制單元以便使它能夠相應(yīng)地控制電動發(fā)電機。電力供應(yīng)可以包括用于給電動發(fā)電機供電的任何合適的配置舉例來說，電力供 應(yīng)PS可以包括逆變器。許多替換物都是可能的例如，可構(gòu)想電力供應(yīng)包括多個開關(guān)以便
8電連接電動發(fā)電機或電力線PL和/或用于儲能的電容器C。許多實施方式都是可能的，其 中一些將描述如下。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的升沉補償?shù)目赡軐嵤├母叨仁疽庑砸晥D。 這里，再一次地，控制單元CON控制電力供應(yīng)PS以便驅(qū)動電動發(fā)電機。電力供應(yīng)PS經(jīng)由電 力線PL由電源SRC提供電能。在圖5中，電存儲元件(在該示例中是(超級)電容器)并 聯(lián)地連接到電源SRC。由此，(超級)電容器C有效地對電源SRC和電力線PL進行緩沖。這樣，在波浪運動周期的第一部分中，能量儲存元件至少部分地放電，而在波浪運 動周期的第二部分中，由電動發(fā)電機再生的能量被能量儲存元件緩存。因此，在根據(jù)圖5的 設(shè)置中，傳統(tǒng)的絞車驅(qū)動電動機和電力供應(yīng)的許多元件仍可以被使用，不過，能量儲存元件 的緩沖可使電力線處的供應(yīng)電壓的峰和谷(dip)平滑，因為當(dāng)電力被電動發(fā)電機提取(這 可導(dǎo)致電源電壓下降)時，能量被從能量儲存元件(例如超級電容器)中提取，而當(dāng)能量被 再生(導(dǎo)致電力線電壓增加)時，能量被保存在能量儲存元件中。這樣，利用根據(jù)圖5的配 置，現(xiàn)有絞車驅(qū)動電動機可以被相對地修改，以便提供升沉補償，由此避免了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù) 對額外液壓系統(tǒng)的需要。在圖6中示出了另一個例子，其中電動發(fā)電機還是通過電力供應(yīng)PS供電，電力供 應(yīng)PS經(jīng)由電力線PL由電源SRC提供電能。電力供應(yīng)PS由控制單元CON.控制。轉(zhuǎn)換器 CONV被提供并且連接在電力供應(yīng)PS和能量儲存元件(在本示例中是電容器或超級電容 器)之間。轉(zhuǎn)換器CONV由控制單元CON控制。在控制單元控制之下，轉(zhuǎn)換器將電動發(fā)電機 電壓或電力供應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成存儲元件的充電電壓。進一步地，轉(zhuǎn)換器被布置成使能量儲存 元件放電，并且將放電的電壓-電流轉(zhuǎn)換成電動發(fā)電機電壓的電力供應(yīng)電壓，以便給電動 發(fā)電機供電。由此，能量儲存元件可以被用在寬廣的工作電壓范圍上，因為轉(zhuǎn)換器CONV提 供向合適的充電/放電電壓的轉(zhuǎn)換。因此，大量電能可以被能量儲存元件緩存。轉(zhuǎn)換器可 以包括任何類型的轉(zhuǎn)換器，舉例來說，可以提供雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器，以便使得能夠進行 低損耗的轉(zhuǎn)換。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖7A-7C分別示出了包含在能量儲存元件中的(超級) 電容器的并聯(lián)配置、并聯(lián)/串聯(lián)配置以及串聯(lián)配置。可以提供具有開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換器，以便 在例如根據(jù)圖7A-7C的配置中開關(guān)(超級)電容器。通過這樣的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(未示出)，可以 獲得更寬的工作電壓范圍當(dāng)提供給超級電容器的充電電壓低時，超級電容器可以連接到 根據(jù)圖7A的配置中，而當(dāng)獲得較高的充電電壓時，首先轉(zhuǎn)換器切換到根據(jù)圖7B的配置，然 后切換到根據(jù)圖7C的配置。由此，通過超級電容器可以處理更大的充電電壓范圍。要理解 的是，圖7A-7C中的實施例僅僅用于說明性目的在實際的實施方式中，可使用更多個超級 電容器，由此提供許多串聯(lián)/并聯(lián)連接及其組合的可能性。而且，在實際的實施方式中，可 與串聯(lián)和/或并聯(lián)的一個或多個電池形成組合。圖8示意性指示了轉(zhuǎn)換器和能量儲存元件的更多可能的實施例。在該實施例中， 轉(zhuǎn)換器包括導(dǎo)體以與(超級)電容器一起形成諧振電路，該諧振電路的諧振頻率適合于波 浪運動的循環(huán)頻率，由此促成提供能量和使能量再生的周期。依靠合適的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(未示 出)來切換給能量儲存元件更多或更少的電容器以便由此改變總電容值，從而可能使諧振 頻率適合于波浪運動的周期頻率。在更多的實施例中，控制單元可以包括電壓測量裝置，用于測量電力線PL或電源
9SRC的電壓。通過控制單元并且通過控制單元的合適的比較器來將所測量的電壓與低閾值 電壓和高閾值電壓值進行比較。轉(zhuǎn)換器(例如圖6中的轉(zhuǎn)換器)然后被控制單元驅(qū)動，用 于當(dāng)所測量的電壓超過高閾值電壓值(其提供了能量再生的指示)時，給電存儲元件充電， 以及當(dāng)所測量的電壓達到低閾值電壓(由此指示從電源SRC提取能量以便給電動發(fā)電機供 電)時，用于使電存儲元件放電。因此，轉(zhuǎn)換器由此可以減小電源線電壓上由電動發(fā)電機的 周期性操作所引起的峰和谷。在另外的實施例中，控制單元可以包括用于測量電源SRC的電流的電流測量裝 置。在與電流設(shè)定點(將在下文中詳述)比較之后，控制單元將驅(qū)動轉(zhuǎn)換器C0NV，以便當(dāng) 所測量的電流超過電流設(shè)定點時使電存儲元件放電，以及在電流設(shè)定點超過所測量的電流 時給電存儲元件充電。高供電電流(即比平均值更高的供電電流)將指示電動機提取了高 電流。在那種情況下，如果電存儲元件被放電并且提供能量來驅(qū)動電動發(fā)電機將是有利的。 在電力供應(yīng)電流為低的情況下(即，比平均值更低的電流)，轉(zhuǎn)換器可以被操作以便給(超 級)電容器充電。在圖9a中示出了這樣的控制單元的功能布局的一個示例。電流測量裝置CMD測 量電源SRC供給的電流。它的值被送到控制單元。下面，將首先在不考慮給比較器COMPl 的輸入2 (也就是說，它的值被認(rèn)為是零)的情況下詳述控制單元的功能布局。電源SRC的 所測量電流值被送到比較器C0MP1。它的輸出被反轉(zhuǎn)，并且經(jīng)由比例積分(PI)系統(tǒng)PIS送 到轉(zhuǎn)換器。當(dāng)電源正在供給能量時，這可以驅(qū)動轉(zhuǎn)換器，以便驅(qū)動能量儲存器來供應(yīng)更多的 能量。這又使得電源于是將提供較少的能量。這樣，電源所提供的能量可以被最小化。PI 系統(tǒng)PIS將能夠迅速響應(yīng)所測量電流中的改變。在該回路中的所有時間延遲都被最小化， 并且控制器的P動作給出了到轉(zhuǎn)換器的直接響應(yīng)?？刂茊卧倪@部分可以被稱作快電流控 制回路。因為在線纜、轉(zhuǎn)換器和電動發(fā)電機中將發(fā)生能量損耗，所以即使在完美的波浪補 償?shù)那樾沃?，能量儲存器的能量水平也將減小。因此，電源應(yīng)當(dāng)補償這些損耗。這可以通 過"慢電壓控制回路"來實現(xiàn)。這種慢電壓控制回路的功能可以是將電容器的電壓控制 在存儲元件的恒定期望工作電壓的附近。該預(yù)定的存儲電壓設(shè)定點(圖9a中的輸入3)和 存儲元件的電壓的時間平均值(輸入4) 一起被送到比較器C0MP2。通過使存儲元件的所 測量的電壓經(jīng)過低通濾波器LPF，可以獲得該存儲元件的電壓的時間平均值。由此，比較器 C0MP2可能不對快速運動(像升沉運動)作出反應(yīng)，但是它可以對具有更大時間常數(shù)的變化 (例如系統(tǒng)的平均損失或延長的升起運動)作出反應(yīng)。然后將預(yù)定的存儲電壓設(shè)定點和存 儲元件電壓的時間平均值的差通過P控制塊送到比較器COMPl作為當(dāng)前設(shè)定點。當(dāng)能量儲 存器的工作電壓低于期望值時，該慢電壓控制回路將使能量儲存器能夠被提供有來自電源 的能量。對預(yù)期的升沉補償進行考慮可能是有利的。這將產(chǎn)生更快的響應(yīng)，并且由此產(chǎn)生 更有效的補償，也就是說較少的能量損耗?？梢曰诓ɡ说臏y量、負(fù)載上的拖曳力和/或 電動發(fā)電機驅(qū)動軸的加速度來計算預(yù)期的升沉補償。而且，船本身的運動也可以用來計算 預(yù)期的升沉補償。表示預(yù)期的升沉補償?shù)闹?圖9中的輸入3)可以被送到又一個比較器 C0MP3。這樣，例如當(dāng)預(yù)期到電動發(fā)電機需要能量時，控制單元可以以比不考慮預(yù)期升沉補 償?shù)那闆r更快的方式開始驅(qū)動轉(zhuǎn)換器，以便向電動發(fā)電機供給能量。
10
在全部上述實施例以及任何其他可能的實施例中，當(dāng)電存儲元件的工作電壓可能 超過最大操作電壓時，電功率耗散器(例如電阻器或任何耗電的裝置)可以連接到電存儲 元件用于能量的消散。由此，可以提供電存儲元件的安全操作。在其他的實施例中，通過將 過多的能量送回到電源來建立安全操作。因為上述實施例中描述的全部電裝置中都具有它們自身的針對安全操作的操作 特性，所以可以理解的是，可采用若干控制系統(tǒng)來測量操作電壓和電流，并且當(dāng)安全操作處 于危險中時采取行動。例如，當(dāng)電壓太高時，裝置可以從系統(tǒng)斷開。為了清楚起見，沒有在 圖中示出或描述這些安全控制系統(tǒng)。在本文件的上下文中，術(shù)語"升沉補償"應(yīng)被理解為包括任何形式的波浪運動補 償，包括豎直運動補償、水平運動補償和橫搖補償，等等。還要理解的是，超級電容器的使用(如上述那樣，可能與“慢電壓控制回路”和“快 電壓控制回路”組合起來)對于其它系統(tǒng)也是有利的，在這些其他系統(tǒng)中，在周期的一個部 分中需要能量而在該周期的另一個部分中產(chǎn)生和存儲能量。這樣的系統(tǒng)的一個示例在國際專利申請PCT/NL2008/000221中被描述。它公開了 具有重型提升吊車的單體船。在圖10中，示出了該船的示意性剖視圖。船10具備主動式 橫搖阻尼機構(gòu)。主動式橫搖阻尼機構(gòu)包括可在船體的橫向方向(由箭頭A指示的方向)上 運動的實心橫搖阻尼壓艙物11、檢測該船體的橫搖運動的傳感器以及驅(qū)動和控制系統(tǒng)12， 該驅(qū)動和控制系統(tǒng)12可操作以便響應(yīng)于該傳感器的檢測引起和控制該實心橫搖阻尼壓艙 物的運動從而提供橫搖穩(wěn)定。該驅(qū)動和控制系統(tǒng)可以具備如上所述的電動機/發(fā)電機M/G以及能量儲存器 C(例如，具有轉(zhuǎn)換器的超級電容器)，以便驅(qū)動該實心橫搖阻尼機構(gòu)。實心橫搖阻尼壓艙物 的運動可以被描述為周期的，這是因為壓艙物可以從左舷運動到右舷，反之亦然。在該周期 中，該周期的第一部分中可以產(chǎn)生并且保存能量，而在另一個部分中需要能量。上述任何根據(jù)本發(fā)明的實施例都可以被應(yīng)用在主動式橫搖阻尼機構(gòu)、電動機/發(fā) 電機M/G以及能量儲存器C上。特別地，“慢電壓控制回路”和“快電壓控制回路”可以被應(yīng) 用于控制能量在能量儲存器中的緩存，并且控制從能量儲存器提供能量以便驅(qū)動電動機/ 發(fā)電機，電動機/發(fā)電機驅(qū)動實心橫搖阻尼壓艙物。從上述可以理解，相似的實施例可以被應(yīng)用于其他種類的船，例如鉆探船。因 為鉆探船常常被定位在海洋中的一個位置處，所以它們可能經(jīng)受作為干擾因素的船的橫 搖。一種反作用于鉆探船的橫搖的防橫搖系統(tǒng)可以基于上述的以及在國際專利申請PCT/ NL2008/000221中描述的橫搖穩(wěn)定系統(tǒng)。而且在該情形中，本發(fā)明的任何實施例都可以被應(yīng) 用于驅(qū)動電動機/發(fā)電機M/G和能量儲存器C(其可包括超級電容器)，以便在能量儲存器 中緩存能量以及從能量儲存器提供能量以驅(qū)動電動機/發(fā)電機，該電動機/發(fā)電機驅(qū)動實 心橫搖阻尼壓艙物。要理解是，在如上所述的本發(fā)明的申請和應(yīng)用中，還有可能的是，與負(fù)載相互作用 的電動機不產(chǎn)生或再生能量，并且電力供應(yīng)將能量提供到能量儲存器。當(dāng)電動機需要能量 時，能量儲存器可以提供電動機所需能量的至少一部分，以便與負(fù)載相互作用。這樣，電動 機所需的能量由電力供應(yīng)完全地提供，例如，在整個周期期間以持續(xù)的方式提供。在周期部 分中，當(dāng)電動機不需要能量時，由電力供應(yīng)提供的能量被保存在能量儲存器中。在周期部分
11中，當(dāng)電動機需要能量時，由能量儲存器提供能量的至少一部分。因此，主動升沉補償系統(tǒng)可以被提供成包括與負(fù)載相互作用的電動機；布置成 控制電動機操作的控制單元，該控制單元被布置成在波浪運動周期的第一部分中操作電動 機以便驅(qū)動負(fù)載；以及電存儲元件，其被布置并且電連接到電動機以便緩存在接著的波浪 運動周期中給電動機供電的能量。該補償系統(tǒng)還可以被應(yīng)用于補償橫搖運動，也就是說，如上所述以及在國際專利 申請PCT/NL2008/000221中描述的防橫搖系統(tǒng)。本發(fā)明的如在權(quán)利要求2_16中描述的實 施例也可以被應(yīng)用于該主動升沉補償系統(tǒng)或防橫搖系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種主動升沉補償系統(tǒng)，包括與負(fù)載相互作用的電動發(fā)電機和被布置成控制所述電 動發(fā)電機的操作的控制單元，所述控制單元被布置成-操作所述電動發(fā)電機以便在波浪運動周期的第一部分中驅(qū)動所述負(fù)載；并且_操作所述電動發(fā)電機以便在所述波浪運動周期的第二部分中使能量的至少一部分再 生，所述能量在所述波浪運動周期的第一部分中已被用來驅(qū)動所述負(fù)載，所述主動升沉補償系統(tǒng)包括電存儲元件，以便緩存所再生的能量的至少一部分，用于 在所述波浪運動的接下來的周期中給所述電動發(fā)電機供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述電存儲元件包括電容器，該電 容器例如為超級電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述電存儲元件包括電池或者電 池和電容器的組合，該電容器例如為超級電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述存儲 元件被并聯(lián)地電連接到電源，以便給所述電動發(fā)電機供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)換器被電連接在所述電動發(fā) 電機和所述存儲元件之間，所述轉(zhuǎn)換器將電動發(fā)電機的電壓轉(zhuǎn)換成所述存儲元件的充電電 壓以及反過來將所述存儲元件的放電電壓轉(zhuǎn)換成電動發(fā)電機的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換器包括雙向直流_直流轉(zhuǎn) 換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述存儲元件包括多個電容器，并 且其中，所述轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以便使所述電容器在串聯(lián)和/或并聯(lián)組合中切換。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述存儲元件包括所述超級電容 器，并且其中，所述轉(zhuǎn)換器包括電感器，以便形成具有所述超級電容器的電感器-電容器諧 振電路，所述諧振電路的諧振頻率適于所述波浪運動的周期頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述控制 單元包括用于測量所述電源電壓的電壓測量裝置，所述控制單元被布置成將所測量的電壓 與低和高閾值電壓值進行比較，用于驅(qū)動所述轉(zhuǎn)換器，以便當(dāng)所測量的電壓超過所述高閾 值電壓值時對所述電存儲元件充電，以及當(dāng)所測量的電壓達到所述低閾值電壓時使所述電 存儲元件放電。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至9中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述控 制單元包括用于測量所述電源電流的電流測量裝置，所述控制單元被布置成將所測量的電 流與電流設(shè)定點進行比較，用于驅(qū)動所述轉(zhuǎn)換器，以便當(dāng)所測量的電流超過所述電流設(shè)定 點時使所述電存儲元件放電，以及當(dāng)所述電流設(shè)定點超過所測量的電流時對所述電存儲元 件充電。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉控制系統(tǒng)，其中，所述控制 單元被布置成測量所述電存儲元件的操作電壓，并且被布置成當(dāng)所述電存儲元件的操作電 壓超過最大操作電壓時連接到電功率耗散器。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至9中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉控制系統(tǒng)，其中，所述電 源包括供應(yīng)控制單元，并且其中，所述控制單元被布置成測量所述電存儲元件的操作電壓， 并且布置成當(dāng)所述電存儲元件的操作電壓超過最大操作電壓時操作所述供應(yīng)控制單元以便將電功率供應(yīng)給所述電源。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述控制單元被布置成將所述 存儲元件的電壓的時間平均值與預(yù)定的存儲電壓設(shè)定點進行比較，并且被布置成在所述比 較的基礎(chǔ)上修改當(dāng)前設(shè)定點。
14.根據(jù)權(quán)利要求4至13中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述 控制單元包括測量裝置，所述測量裝置用于測量代表待補償升沉運動的變量，所述控制單 元被布置成基于所述測量的變量驅(qū)動所述轉(zhuǎn)換器，以便給所述電存儲元件充電或者使其放 電，從而提供或緩存所述升沉補償所涉及電能的至少一部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述控制單元被布置成驅(qū)動所 述電源，以便提供或接收所述升沉補償所涉及電能的至少一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求14至15中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述 變量是波浪變量、升沉變量或者電動發(fā)動機變量。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項權(quán)利要求所述的主動升沉補償系統(tǒng)，其中，所述負(fù)載 包括實心橫搖阻尼壓艙物，所述壓艙物能沿船身的橫向方向運動。
18.一種用于至少部分地補償負(fù)載上的波浪運動效果的主動升沉補償方法，所述方法 包括_操作電動發(fā)電機，所述電動發(fā)電機在波浪運動周期的第一部分中與所述負(fù)載相互作 用以驅(qū)動所述負(fù)載；并且_操作所述電動發(fā)電機以便在所述波浪運動周期的第二部分中使能量的至少一部分再 生，所述能量在所述波浪運動周期的第一部分中已經(jīng)被用來驅(qū)動所述負(fù)載；其中，所再生的能量的至少一部分被緩存在電存儲元件中，用于在所述波浪運動的接 下來的周期中給所述電動發(fā)電機供電。
全文摘要
一種升沉補償系統(tǒng)，包括與負(fù)載相互作用的電動發(fā)電機以及被布置成控制該電動發(fā)電機的操作的控制單元。該控制單元被布置成操作該電動發(fā)電機以便在波浪運動的第一部分中驅(qū)動負(fù)載；以及，操作該電動發(fā)電機以便在該波浪運動周期的第二部分中使能量的至少一部分再生，該能量在該波浪運動周期的第一部分中已被用來驅(qū)動負(fù)載。該升沉補償系統(tǒng)包括電存儲元件，以緩存所再生的能量的至少一部分，從而用于在波浪運動的接下來的周期中給電動發(fā)電機供電。
文檔編號B63B39/02GK102007033SQ200980110452
公開日2011年4月6日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者C·J·?？死瓲? J·魯?shù)遣?申請人:伊特雷科公司