CN103283106A - 用于操作双回路供电系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操作双回路供电系统的方法，其中，从第一和第二ac母线（2a、2b）以可获得一期望废气排放的一比率向所述电负载提供电力，所述废气为与发电机（G1-G4）关联的原动机（D1-D4）产生的氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）以及其它污染物。优选地，所述方法可用于操作一双回路船舶推进系统，其中，电负载（T1）为一推进器。使用本发明方法操作一双回路供电船舶推进系统时，可以以一方式在推进器（T1-T4）之间优化推力分配，该方式类似于传统动力定位（DP）系统中使用的方式，然后，在发电机（G1-G4）之间共享或分配请求的电力，以最小化废气排放。

Description

用于操作双回路供电系统的方法

技术领域

本发明涉及操作双回路供电系统的方法，本发明方法具体可适用于带有本地发电装置的操作双回路船舶推进系统，该系统利用主动前端（AFE）功率变换器，该系统可安装在任何合适的船舶中，民用的或军用的船舶中。

背景技术

当前存在许多利用本地发电装置的双回路供电系统。典型地，这些系统包括第一母线、第二母线、与第一母线连接并具有一关联原动机的至少一发电机、与第二母线连接并具有一关联原动机的至少一发电机、以及一电负载，该电负载通过第一功率变换器与第一母线连接，通过第二功率变换器与第二母线连接。这些双回路供电系统根据特定系统的不同可以利用交流电或直流电进行运行。

可能的双回路供电系统的应用场景可以包括具有本地发电装置的工厂。例如，钢铁厂。这些系统的电负载可以包括机械可动部件的任一或所有机械操作，这些机械可动部件包括但不限于水泵、风扇、气体压缩机、电弧炉、辊轧机传动以及起重机传动。双回路供电系统的其它应用可以为使用本地发电装置的采矿系统，其中，电负载可以是起重机、输送机、压碎机、风扇或任何其它采矿设备。

作为利用本地发电装置的双回路系统的一实例，可以为一些船舶的推进系统。这些系统使用交流电进行运行，系统的负载为船舶的推进器。一般情况下，这些推进系统通过动力定位系统进行操作。

船舶的动力定位（DP）依赖于推进器，从而在参考点上下保持船体的位置和其航向，并抵御外部环境的力量，例如，风力和水流。DP系统的目的不是绝对地保持船舶静止，而是保持其位置在可接受范围内。术语“动力定位（DP）系统”可包括用于船舶的其它定位系统，例如定位锚泊系统以及辅助推进锚泊系统，辅助推进锚泊系统结合了DP系统一些方面和锚泊系统。

在一典型的DP系统中，根据一些最优情形的定义，来自一控制器的推力请求会被指派给可用的推进器。例如，可根据每个推进器的额定功率，通过共享推力对推力请求进行分配以取得最小总功率消耗。在船舶推进系统中，推进器与ac母线连接，该ac母线接收ac发电机的电力，该ac发电机与原动机耦合。典型地，如柴油发动机或燃气轮机，这些原动机会产生对环境有害的废气，例如，氮氧化合物（NO_x），二氧化碳（CO₂）以及与燃烧过程相关的其它污染物。

选择性催化还原（SCR）是一种利用催化剂将氮氧化合物转换为氮气（N₂）和水（H₂O）的方法。气态还原剂典型地如无水氨、氢氧化氨或尿素被添加到烟气或废气流中，并被吸收到催化剂上面。当尿素被作为还原剂时，二氧化碳是反应产物。在正确的预设条件下，SCR可以消除柴油发动机燃烧过程中产生的85%的氮氧化物。在热废气中，尿素溶液根据以下反应方程式可以分解为氨以及二氧化碳：

CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂

而在废气中，根据下述方程式，氨可以将氮氧化物转换为氮气和水蒸气：

NO_x,NH₃,O₂→N₂,H₂O

而不期望的副反应会通过燃烧中的硫磺产生三氧化硫（SO₃）以及硫酸铵。因此，将废气的温度保持在一水平范围内非常重要，这样可以阻止硫酸盐的沉积，该沉积会覆盖在催化剂的表面，从而不利地影响到SCR系统NO_x的转换效率。因此，一般情况下，柴油发动机包括一旁通管，这意味着，当耦合在柴油发电机上的发电机在低于额定功率下运行时，大部分废气会绕过SCR系统，这样会增加每度电的NO_x排放。

由柴油发动机或燃气轮机产生的二氧化碳决定于发动机的效率，其中，发动机效率可以认为是关联的发电机输出的电能输出和燃料的热值的比值，该燃料为柴油发动机或燃气轮机消耗的燃料。在低效率情况下，每度电的输出将产生更多二氧化碳。因此，将柴油发动机以燃气轮机运行在高效率状态下，有益于减少二氧化碳的排放。

在DP系统的运行过程中，根据每个推进器额定功率实现的推力共享不需要取得最小化NO_x排放（参考2009年10月13-14日B.Realfson在德克萨斯州休斯顿召开的DP会议上发表的“在DP2和DP3运行中减少NO_x排放”文献）。减少NO_x排放的方法之一是在船舶推进系统的独立母线区段之间共享推力，从而根据预计的排放速度装载一些发电机（以及装载耦合的柴油发动机）和卸载一些其它的发电机。尽管这样可以减少NO_x排放，但会增加总电力消耗。图1示出了现有技术中的船舶推进系统，其中推进器T1-T4连接在ac母线30a、30b上，ac母线30a、30b则通过一连接线32互联在一起。一对发电机G1、G2由关联的柴油发动机D1、D2驱动，以向第一ac母线30a提供ac电。一对ac发电机G3、G4由关联的柴油发动机D3、D4驱动，以向第二ac母线30b提供ac电。通过关联的功率变换器34每个推进器T1-T4与一单一的ac母线连接，其中，功率变换器34具有一二极管前端（即一对无源整流器）以及变压器。为了改变沿着前述线路、来自发电机G1-G4中任一个的功率，ac母线30a、30b必须通过打开连接线32来分开，分配到每个推进器T1-T4的推力必须改变。如前所述，用于推力分配的最小化功率方案要求根据每个推进器的额定功率进行推力的共享，而这在图1的船舶推进系统中是无法实现的。

图2示出了一可选的、现有技术的船舶推进系统，该系统与图1中的船舶推进系统类似，但在该系统中每个推进器T1-T4连接有两根ac母线。更具体地，与每个推进器关联的第一无源整流器36与第一ac母线30a连接，第二无源整流器38与第二ac母线30b连接。ac母线30a、30b通过连接线32互联，该连接线32包括一母线内变压器40，以提供一相移。位于ac母线间的该相移允许无源整流器36、38运行在12脉冲模式下，即用于ac电源电压每个周期的二极管可整流出12个电压脉冲。尽管如此，每个功率变换器34的二极管前端仍然不允许控制由每个ac母线提供的电量。电力共享或分配决定于无源整流器36、38的自然换流，并且电力共享或分配将一直从第一和第二ac母线30a、30b平等地共享电能。

图3示出了一改进的双回路供电船舶推进系统，该系统利用了主动前端（AFE）功率变换器。该船舶推进系统包括第一ac母线2a以及第二ac母线2b。该第一和第二ac母线2a、2b可以携带一低电压（LV）电源电压（例如，690V），并可选择地可以被划分为独立的单个区段。

一对ac发电机G1、G2可通过关联的柴油发动机D1、D2驱动，该对发电机用于向第一ac母线2a提供ac电。一对ac发电机G3、G4也可通过关联的柴油发动机D3、D4驱动，该对发电机用于向第二ac母线2b提供ac电。发电机G1-G4可通过带有断路器的保护开关4以及关联的控制装置或开关装置与各自的ac母线连接。可以很容易地看出，根据电力生成和分配要求，船舶推进系统可以具有任意合适数量的发电机和任意合适的母线结构。

ac母线2a、2b可以通过连接线6进行互联。

该船舶推进系统包括一连串的、四个平行推进驱动系统22a-22d，每个推进驱动系统包括推进器T1-T4，推进器T1-T4通过AFE功率变换器8、10以及关联的谐波滤波器系统12，平行地连接在第一和第二ac母线2a、2b上。更具体地，第一AFE功率变换器8连接在每个推进器和第一ac母线2a之间，第二AFE功率变换器10连接在每个推进器和第二ac母线2b之间，如图3所示。每个AFE功率变换器包括一第一有源整流器/逆变器14（或“前端”电桥）以及一第二有源整流器/逆变器16，其中，第一有源整流器/逆变器14具有连接到各个ac母线2a、2b的ac输入端子，第二有源整流器/逆变器16具有连接到推进器的ac输出端子。因此，推进器平行地与每个关联的AFE功率变换器8、10的第二有源整流器/逆变器16的ac输入端子连接。用于第一AFE功率变换器8的第一和第二有源整流器/逆变器14、16的dc端子通过一dc环节连接在一起，用于第二AFE功率变换器10的第一和第二有源整流器/逆变器14、16的dc端子通过一不同的dc环节18连接在一起。

每个第一有源整流器/逆变器14的ac输入端子通过保护开关20连接在关联的ac母线2a、2b上。

尽管只示出了第一推进驱动系统22a，但是每个第二有源整流器/逆变器16的ac输出端子都是通过快速隔离接触器24与关联的推进器T1-T4连接，其中，快速隔离接触器24为一附加设备。第一和第二AFE功率变换器8、10也具有短路保护功能，以在其ac端子发生短路时实现安全、自动断开。

在正常运行情况下，第一有源整流器/逆变器14以一有源整流器进行运行，以向dc环节18提供电力，第二有源整流器/逆变器16以一逆变器进行运行，以向推进器提供电力，但在某些情况下，例如，在再生制动时，由推进器（作为一发电机进行运行时）向ac母线2a、2b提供电力时，两者可以互换运行，即：第一有源整流器/逆变器14以一逆变器进行运行，第二有源整流器/逆变器16以一有源整流器进行运行。

通常地，每个有源整流/逆变器14、16可以具有一传统的三相两电平拓扑，其中，可通过脉冲带宽调制策略对一连串的半导体功率开关器件（例如，IGBT）进行完全地控制和调整。尽管如此，在实际中，有源整流器/逆变器可以具有任何合适的拓扑结构，例如，三电平中点箝位拓扑或（例如）多电平拓扑。

附加的ac母线可以通过变压器连接到ac母线2a、2b，这样，由该附加ac母线携带的配电电压可方便地由变压器动作产生。该附加的ac母线可用于向其它电负载提供电力。

推进器T1-T4可以为任何合适类型和结构，以配置用于驱动螺旋轴（未示出）。

图4示出了一可选的船舶推进系统，其基本的总体结构与图3中的船舶推进系统类似，类似部分在两个图中用相同的数字进行引用。该船舶推进系统包括两个主推进器（或大推进马达）T1、T2以及两个小操纵推进器T3、T4，通常地，主推进器的额定功率为3.5MW，两个小操纵推进器具体地用于DP，且典型地每个小操纵推进器的额定功率为1.2MW。每个推进器T1-T4通过前述的AFE功率变换器与第一和第二母线2a、2b连接。在船舶行进过程中，操纵推进器T3、T4是不必需的，主推进器T1、T2通过AFE功率变换器8a、8b、8c以及8d接收来自第一ac母线2a的电力，通过AFE功率变换器10a、10b、10c以及10d接收来自第二ac母线2b的电力。换句话说，每个主推进器接收来自四个AFE功率变换器的电力，两个AFE功率变换器连接在第一ac母线2a上，两个AFE功率变换器连接在第二ac母线2b上。对于DP操作，主推进器T1、T2不需要全电力，因此，只需要从四个关联AFE功率变换器中任何两个接收电力即可。例如，第一主推进器T1可以接收来自第一和第二AFE功率变换器8a、10a的电力，让第三和第四AFE功率变换器8b、10b向第一操纵推进器T3提供电力，或者相反。推进器T1-T4可通过合适的开关装置26与关联的AFE功率变换器连接，开关装置26可以选择来自AFE功率变换器8、10的第二有源整流器/逆变器16中哪一个的电力连接到每个推进驱动系统的主推进器或操纵推进器。

图4主推进系统明显降低了电力电子系统的成本，减少了配电盘的尺寸、重量和成本。相对于具有增强容错能力的传统结构，单点发生故障的情况被大大地减少，这是因为AFE功率变换器中任一一个发生故障都不会影响到ac母线2a、2b。图4的系统结构最大化地利用了安装的电力电子系统，非常适合视尺寸和重量为重要设计因素的船舶。

应注意，在图3、4中示出的双回路供电AFE结构中，可以通过关联的AFE功率变换器8、10以任何给定比率从ac母线2a、2b向每个推进器T1-T4提供电力。该比率在船舶推进系统的正常运行期间或故障发生期间可以进行改变，（例如）以利用可用的、来自ac母线2a、2b的电力。这样，增强了灵活性和冗余度，可有益地被DP系统利用，以最小化柴油发动机或其它原动机（未示出）的废气排放，这在后面将详细介绍。

发明内容

本发明提供了一种操作双回路供电系统的方法，所述双回路供电系统包括：第一母线；第二母线；与所述第一母线连接的至少一发电机，该至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机；与所述第二母线连接的至少一发电机，该至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机；以及一电负载，所述电负载通过第一功率变换器与所述第一母线连接，通过第二功率变换器与所述第二母线连接；所述方法包括：选择所述原动机的期望废气排放；以可获得所述期望废气排放的一比率从所述第一和第二母线向所述电负载提供电力。

由本发明方法操作的系统的所述原动机（例如）可以为柴油发动机或燃气轮机或任何其它合适的机器。

本发明提供的方法可以操作任何位于上述定义中的双回路供电系统。该方法可以操作以ac或dc电运行的双回路供电系统。有益地，该方法可操作以ac电运行的双回路供电系统，在该系统中第一和第二母线为ac母线，与所述第一母线连接的至少一发电机以及与所述第二母线连接的至少一发电机为ac发电机。

优选地，本发明方法可以操作一双回路供电系统，该系统为一船舶推进系统，其中，电负载为船舶的推进马达（或推进器）。

优选地，所述比率可最小化废气排放，其中，在该比率下电力被提供给电负载。具体地，如氮氧化物（NO_x）和/或其它有害环境的污染物，例如，二氧化碳（CO₂），优选地，例如同时仍然可保证发电机提供足够的总电力输出，以满足双回路供电系统或船舶推进系统的操作需要。换句话说，对于任何给定的系统，当以请求的效率操作所述原动机时，选择的期望废气排放可能会高于理论最低水平，这意味着发电机不会产生足够的总电力输出，以用于燃油供电系统或船舶推进系统的正常操作。本发明操作方法的具体目标决定于具体的双回路供电系统。例如，当双回路供电系统为船舶推进系统、电负载为推进马达时，本发明操作方法目标取决于船舶，甚至对于具体的船舶，根据船舶的位置或操作条件该目标也会发生变化。例如，国际海事组织（IMO）对于氮氧化物的排放有严格的要求，从2016年开始相对于公海将会有更严格的控制，以实现在某些区域可操作。一些国家已经对其领域内的水域的废气排放设置了严格的限制和费用。自2007年开始挪威政府开始对大于750kW的船舶推进引擎的NO_x排放进行征税。征税额为排放的每千克NO_x为15挪威克朗（大约为2.5美元）。因此，可以看出，船舶的操作员应可以根据船舶是否位于公海或有严格控制的海域，选择不同的废气排放。在一些情况下，选择的期望废气排放量可能会高于可取得的船舶推进系统的最小废气排放量，如果选择的期望废气排放量可以满足任何国家或国际义务或要求时，则可以避免被征税。在另外一些情况下，考虑到例如燃料和税收成本，可以对期望废气排放量进行选择，以尝试最小化操作成本。如上所述，有时，基于环境问题的减少废气排放的一般期望不得不考虑船舶的操作需要，例如，船舶的输出电力。

废气的期望排放可以通过操作员选择，或通过例如管理系统进行自动确定来选择，其中该管理系统运行有合适的算法，以在发电机和/母线之间优化地确定合适的装载，从而获得期望的废气排放。当双回路供电系统为船舶推进系统时，该管理系统可以为一船舶管理系统。

双回路船舶推进系统可以以一种方式优化推进马达之间的推力分配，该方式类似于传统动力定位（DP）系统中使用的方式，以在发电机之间共享或分配需要的电力，以最小化废气排放。更具体地，如果一双回路供电船舶推进系统包括多个推进马达，本发明方法进一步包括：选择一期望的总电力消耗；以及在推进马达之间分配推力需求，以获得期望的总电力消耗。优选地，所述推力需求被指定以最小化总电力消耗。通常地，所述推力需求由DP系统的控制器提供。

类似地，当由本发明方法操作的该系统为任一其它双回路供电系统时，且该系统包括多个电负载，则本发明方法进一步可包括：选择期望的总电力消耗；在电负载之间分配一输出需求，以获得期望的总电力消耗。优选地，所述输出需求被指定以最小化总电力消耗。

优选地，根据电力分配算法，可以以一定方式向电负载提供电力，以获得期望的废气排放。所述电力分配算法可以基于闭环控制，闭环控制使用所述至少一原动机的废气排放的一“实时”测量值（即测量氮氧化物、二氧化碳或其它污染物的排放）作为反馈。所述电力分配算法也可以使用第二指示作为“实时”测量值，例如，所述至少一原动机产生的废气的温度。

电力的分配可以使用优化算法，例如，线性规划法、二次规划法、基于梯度的搜索算法、遗传算法或其它有约束或无约束算法。优化算法可以包括其尝试最少化的“成本算法”。

本发明双回路供电系统可以具有任一数量的母线，不限于双回路供电结构。通常地，每个电负载可以通过功率变换器连接到每个母线，但是如果存在三根或三根以上母线时，多种不同的结构也是可以的。如果系统为一双回路船舶推进系统，有益地，这些结构也可以以一比率被船舶的DP系统使用。在该比率下，电力被提供给每个推进马达，该比率应被合适地确定以用于具有三根或三根以上母线的船舶推进系统。

优选地，功率变换器可以为“主动前端”（AFE）功率变换器。

当为特定电负载分配的输出需求已经被确定时，根据电力分配算法，该电负载可以通过关联的功率变换器以任一合适的比率由一根或多根母线提供电力。这意味着一些发电机可以被加载，而其它一些不会被加载，以取得选择的期望废气排放（例如，最小化所有原动机的总排放）。为向每个电负载提供电力而确定所述合适的比率可以根据发电机输出电力以及前述测量的反馈值，以估计的废气排放为基础进行确定。

每个母线可以被划分为单独区段，每个区段与至少一发电机连接。单独区段可以通过连接线进行互联。连接到每个母线的不同单独区段的电负载可以以不同的比率被提供电力。所有连接到母线的连接以及单独区段之间的连接可以包括保护开关或其它保护电路，以用于隔离目的。

本发明方法操作的双回路推进系统的推进马达可以是任何合适类型（例如，电磁、同相位等），并具有合适数目的相（例如三相等等）。该推进马达会被配置，使得在其内部转子同轴，或在外部定子同轴，该推进马达可采用任何合适的场装置（例如，永久磁铁、传统或超导绕组，等等）。一对推进马达可以组成使用两个独立马达的双转子电机驱动的一部分，其中，两个独立马达用于驱动一共同的轴，例如，螺旋轴。一对推进马达也可以组成具有双马达的一双转子电机的一部分，其中，双马达可以物理地内建于双转子电机中，也可以位于一同共的外壳中（例如，串联电动机），以用于驱动一共同的轴。应注意，根据单独船舶的推进需要，单独船舶可以使用特定数目和配置的推进马达（以及关联的功率变换器）。

推进马达可用于推进螺旋桨，该螺旋桨可以为任意方便的类型，例如，传统的多叶片螺旋、管道泵喷射式或摆线驱动螺旋桨。该推进马达例如可以位于船舶的船体中（该马达为船体内通过带有尾轴管压盖的轴线驱动螺旋桨的推进马达），或位于一个吊舱中，该吊舱悬挂在船舶船体的下方，以提供推力和转向，或同轴地位于船舶船体外部。推进马达可为一推进器，该推进器可以被转向以在任何给定方向上施加推力，具体地，可用于DP应用中。

本发明进一步提供了一双回路供电系统，所述系统包括：第一母线；第二母线；与所述第一母线连接的至少一发电机，该至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机；与所述第二母线连接的至少一发电机，该至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机；一电负载，所述电负载通过第一功率变换器与所述第一母线连接，通过第二功率变换器与所述第二母线连接；以及一管理系统，所述管理系统用于选择所述原动机的期望废气排放以及控制所述双回路供电系统，以可获得所述期望废气排放的一比率从所述第一和第二母线向所述电负载提供电力。

本发明双回路供电系统的进一步细节及其操作方法将在后面进行描述。

附图说明

图1示出了第一现有技术船舶推进系统，该系统带有二极管前端功率变换器；

图2示出了第二现有技术船舶推进系统，该系统带有二极管前端功率变换器；

图3示出了第一双回路供电船舶推进系统，该系统带有主动前端（AFE）功率变换器，所述变换器可以根据本发明方法进行操作；

图4示出了第二双回路供电船舶推进系统，该系统带有AFE功率变换器，所述变换器可以根据本发明方法进行操作；以及

图5为一排放曲线，该曲线示出了随着发电机输出电力变化，柴油发动机理论排出的氮氧化物（NO_x）排放。

具体实施方式

图3和图4示出的双回路供电船舶排放系统可以根据本发明方法进行控制，从而以一方式在母线2a、2b之间分配电力，该方式可最小化例如氮氧化物或二氧化碳或一些二者的组合物的排放。在实际情况中，可取得最小氮氧化物输出的电力分配不太可能与可取得最小二氧化氮输出的电力分配相同，因此，难以同时最小化两种污染物输出。尽管如此，获得所有废气排放和由柴油发动机产生的其它环境污染物的总体最小化输出还是可能的。

一电力分配算法从一组函数可以计算出柴油发动机D1-D4氮氧化物排放速度（例如，单位为千克/小时（kg/h））的估计值：

f_i(P_i),i=1..N

其中，N为发电机G1-G4以及耦合的柴油发动机D1-D4的数量（即N=4时为如图1到图4所示的船舶推进系统），以及

P_i为发电机i输送的电力。

另一组函数给出了柴油发动机D1-D4二氧化碳排放速度（例如，单位为kg/h）的估计：

g_i(P_i),i=1..N

典型的成本函数Q可以由所有发电机排放的估计得到：

$Q=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\λf}}_i\left(P_i\right)+{\mathrm{\μg}}_i\left(P_i\right))$     (公式1)

其中，λ和μ为加权增益，以允许不同排放类型的相对重要性可以被改变。最优化的目标在于为Q找到一最小值，并同时满足以下约束：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=P_{\mathrm{tot}}$     (公式2)

即：由发电机G1-G4提供的电力总和等于船舶需求的总电力P_tot。总电力需求可以由例如动力定位（DP）系统或船舶管理系统设置。DP系统也可以对用于推进器T1-T4的推力需求进行设置，这样，在电力分配确定之前就可以对推力需求进行分配以获得最小化的总电力消耗。

电力分配算法可以使用一可选的成本函数R，该函数为所有发电机考虑了操作成本：

$R=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\α}{f}_i\left(P_i\right)+{\mathrm{\βg}}_i\left(P_i\right)+{\mathrm{\γh}}_i\left(P_i\right))$     (公式3)

其中，f_i(P_i)和g_i(P_i)为前述给定的计算氮氧化物和二氧化碳排放速度的函数，以及

h_i(P_i),i=1..N

为另一组估计柴油发动机D1-D4的燃油消耗（例如，单位为kg/h）的函数。在该情形中，α，β以及γ用于指示每千克的成本，即每千克氮氧化物或二氧化碳排放的税费，以及燃油成本。同样，最优化的目的还是找到R的最小值，并同时满足公式2的约束，即，由发电机G1-G4提供的电力等于船舶的总电力需求P_tot。应注意，在公式1和公式3中给出的成本函数可能包括其它项，例如，用于其它污染物或与柴油发动机正常操作相关的其它成本的排放速度。

根据电力分配算法，发电机G1-G4可以被加载或卸载，这样电力可以从第一和第二母线2a、2b以一特定比率被提供给推进器T1-T4，以最小化例如废气排放或操作成本。

多少电力分配给每个ac母线可以由电力管理系统来确定，典型地，该电力管理系统可以为船舶管理系统的一部分。电力管理系统目的可以通过控制主动前端（AFE）功率变换器8、10来取得，其中，功率变换器8、10将推进器T1-T4连接到ac母线2a、2b，并可以不对称地抽拉电力。通常地，电力管理系统需要了解每个推进器T1-T4需要什么电力来获得其分配的推力需求，以及每个发电机G1-G4可以提供给ac母线2a、2b的输出电力。其中，每个ac母线2a、2b（例如，690V）的配电电压仍然保持不变。

用于NO _x 排放的详细示例

在这里将具体结合图5，通过更详细的示例来描述电力分配算法如何最小化来自船舶推进系统柴油发动机D1-D4的氮氧化物（NO_x）的排放。尽管这些示例限于NO_x，然而类似的、对应的示例也可以用于二氧化碳（CO₂）或柴油发动机废气中的其它环境有害污染物。

为了详细描述这些示例，假设公式1中λ=1、μ=0。

每个柴油发动机D1-D4与一ac发电机G1-G4耦合，且包括一选择性催化还原剂（SCR），以用于从其废气中清除NO_x。每个发电机G1-G4被假设具有1MW的额定功率。根据逐渐增加的输出功率的线性特性，对于超出额定功率大约30%的输出功率（即，发电机的输出功率超出大约0.3MW），每个柴油发动机将释放出NO_x，而SCR将以固定比例减少NO_x的排放，例如，固定比例可以为85%。尽管如此，对于低于额定功率大约30%的输出功率（即，发电机的输出功率低于大约0.3MW），一定比例的废气会绕过SCR以避免“覆盖”催化剂。绕过SCR的气体的比例将直线地从0%上升到100%，0%时输出功率为30%额定功率，100%时输出功率为额定功率的0%。图5以排放曲线的形式用图表示出了每个柴油发动机D1-D4的NO_x排放如何随着耦合的发电机的输出功率（MW）而变化。可以看出，当输出功率为30%额定功率时，即几乎所有的废气都会流径SCR时，在排放曲线上存在一最小值点。

图5所示的排放曲线有效地定义了被电力分配算法利用的函数f_i(P_i),i=1..N。

每个推进器T1-T4被假设具有100kN额定推力，并具有额定功率1MW。为了详细说明一些示例，尽管假设柴油发动机、发电机以及推进器是相同的，然而，应注意，每个柴油发动机、发电机以及推进器可以不同，因此，可以具有不同的排放曲线、额定功率以及额定推力。

如果DP系统的控制器要求123kN的总推力，则三个不同示例中的所有四个柴油发动机D1-D4的NO_x排放总速度可以被计算出来，三个示例即为：（1）一现有技术船舶推进系统，其中，电力流经所有四个发电机G1-G4被均匀地共享；（2）图1所示的一现有技术船舶推进系统，其中，通过改变对每个推进器T1-T4的推力请求，电力从一母线转移到另一母线；以及（3）图3所示的改进的双回路供电船舶推进系统，其中，电力被分配给每个发电机G1-G4，以在电力管理系统下根据电力分配算法获得最小化NO_x排放。

示例（1）：

由于所有的推进器T1-T4具有相同的额定推力，用于推力分配的最小化电力方案为：从每个推进器请求相同的推力。因此，为获得123kN总推力而从每个推进器T1-T4请求的推力为30.74kN。应注意，一推进器请求的电力可以表示为：

$\frac{P}{P_{\mathrm{rated}}}\≈{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{rated}}}\right)}^{1.5}$

其中，

P_rated为额定功率，

T为请求的推力（=30.74kN），以及

T_rated为额定推力。

因此，在该示例中每个推进器T1-T4请求的推力大约等于0.17MW，所有四个推进器总的电力请求大约为0.68MW。如果该总的电力请求由所有四个发电机G1-G4平均地分配，则每个发电机需要输出大约0.17MW。参考图5所示的排放曲线，对于输出电力大约为0.17MW，每个柴油发动机D1-D4将产生大约0.32kg/h的NO_x排放。

四个柴油发动机的排放总量为1.28kg/h。

示例（2）：

请参考图1，可以通过改变T1-T4间的推力分配将母线从一ac母线转移到另一母线。在该示例中，推进器T1、T2会请求一更高推力，以最小化柴油发动机D1、D2的NO_x排放。每个推进器T1、T2请求的推力可以设置为44.8kN，这意味着与第二ac母线30b连接的剩下的推进器T3、T4每个必须提供16.7kN，以获得123kN的总推力。所有四个推进器T1-T4请求的总电力现在为0.74MW。发电机G1、G2每个必须输出大约为0.3MW，发电机G3、G4每个必须输出大约0.07MW。参考图5所示的排放曲线，柴油发动机D1、D2每个将产生大约为0.162kg/h的NO_x排放，柴油发动机D3、D4每个将产生大约为0.202kg/h的NO_x排放。

所有四个柴油发动机的总排放大约为0.728kg/h。

示例（3）：

图3所示的双回路供电船舶推进系统允许推力分配以获得最小化电力，即：所有四个推进器T1-T4平等地提供30.74kN的推力，平等地请求大约0.17MW的电力，总电力请求大约为0.68MW。通过在第一和第二ac母线2a、2b共享电力，电力分配将最小化NO_x排放，这样发电机G1、G2每个输出大约0.3MW（换句话说，他们运行在排放曲线的一突出最小值处），剩下的两个发电机G3、G4每个大约输出0.04MW。

所有四个柴油发动机的总排放大约为0.578kg/h，相对于示例（2）可以明显地减少21%的NO_x排放，相对于示例（1）可以明显地减少55%的NO_x排放。

Claims (19)

1.一种操作双回路供电系统的方法，所述双回路供电系统包括：

第一母线（2a）；

第二母线（2b）；

与所述第一母线（2a）连接的至少一发电机（G1），该至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机（D1）；

与所述第二母线（2b）连接的至少一发电机（G3），该至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机（3）；以及

一电负载（T1），所述电负载通过第一功率变换器（8）与所述第一母线（2a）连接，通过第二功率变换器（10）与所述第二母线（2b）连接；

所述方法包括：选择所述原动机（D1、D3）的期望废气排放；以可获得所述期望废气排放的一比率从所述第一和第二母线（2a、2b）向所述电负载提供电力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比率使所述原动机（D1、D3）的废气排放最小，所述第一和第二母线（2a、2b）在所述比率下向所述电负载（T1）提供电力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比率使与所述原动机（D1、D3）关联的操作成本最小，所述第一和第二母线（2a、2b）在所述比率下向所述电负载（T1）提供电力。

4.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少一原动机（D1）的废气排放的测量值被用于确定所述比率，所述第一或第二母线（2a、2b）在所述比率下向所述电负载（T1）提供电力。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少一原动机（D1）的废气的温度测量值被用于确定所述比率，所述第一或第二母线（2a、2b）在所述比率下向所述电负载提供电力。

6.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述双回路供电系统为一ac系统，所述第一和第二母线（2a、2b）为ac母线，与所述第一母线（2a）连接的所述至少一发电机（G1）以及与所述第二母线（2b）连接的所述至少一发电机（G2）为ac发电机。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述双回路供电系统为一船舶推进系统，所述电负载（T1）为一推进马达。

8.如前述权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述双回路供电系统包括多个电负载（T1-T4），所述方法进一步包括：选择一期望的总电力消耗；以及在所述电负载（T1-T4）之间分配输出需求，以获得所述期望的总电力消耗。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输出需求被分配，以最小化总电力消耗。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述双回路供电系统为一船舶推进系统，所述多个电负载（T1-T4）为多个推进马达，所述输出需求为推力需求。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述推力需求由一动力定位（DP）系统的控制器提供。

12.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，使用一成本函数来选择所述原动机（D1、D3）的期望废气排放。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，选择所述原动机（D1、D3）的期望废气排放的步骤包括：获取所述成本函数的最小值，当所述成本函数取得最小值时，由所述发电机（G1、G3）提供的电力等于或大于所述双回路供电系统的总电力需求。

14.一双回路供电系统，所述系统包括：

第一母线（2a）；

第二母线（2b）；

与所述第一母线（2a）连接的至少一发电机（G1），所述至少一发电机（G1）具有关联的、产生废气排放的原动机（D1）；

与所述第二母线（2b）连接的至少一发电机（G3），所述至少一发电机具有关联的、产生废气排放的原动机（D3）；

一电负载（T1），所述电负载（T1）通过第一功率变换器（8）与所述第一母线（2a）连接，通过第二功率变换器（10）与所述第二母线（2b）连接；以及

一管理系统，所述管理系统用于选择所述原动机（D1、D3）的期望废气排放以及控制所述双回路供电系统，以可获得所述期望废气排放的一比率从所述第一和第二母线（2a、2b）向所述电负载（T1）提供电力。

15.如权利要求14所述的双回路供电系统，其特征在于，所述第一和第二母线（2a、2b）为ac母线，与所述第一母线（2a）连接的所述至少一发电机（G1）以及与所述第二母线（2b）连接的所述至少一发电机（G2）为ac发电机。

16.如权利要求14或15所述的双回路供电系统，其特征在于，所述双回路供电系统为一船舶推进系统，所述电负载（T1）为一推进马达。

17.如权利要求14或15所述的双回路供电系统，其特征在于，所述双回路供电系统包括多个电负载（T1-T4），所述管理系统进一步用于选择一期望的总电力消耗，以及在所述电负载（T1-T4）之间分配输出需求，以获得所述期望的总电力消耗。

18.如权利要求17所述的双回路供电系统，其特征在于，所述双回路供电系统为一船舶推进系统，所述多个电负载（T1-T4）为多个推进马达，所述输出需求为推力需求。

19.如权利要求18所述的双回路供电系统，其特征在于，所述推力需求由一动力定位（DP）系统的控制器提供。

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