CN104350659B - 一种预测控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减小电力分配系统中的频率和/或电压变化的系统。系统包括连接到至少一个电力发电机和至少一个消耗体上的电力控制单元，电力控制系统适合于对所述至少一个电力发电机在该系统中带来的测算负荷以及因所述至少一个消耗体而致的电力消耗进行监视；以及预测分配系统，适用于从每个消耗体接收与计划的或预测的电力消耗相关的信息，并计算该系统的预期电力消耗，并且将所分配的电力消耗馈送到电动发电机系统(MGS)控制器。

Description

一种预测控制系统
技术领域
本发明是一种用于减小由船舶电力分配系统大消耗体负荷的变化或设备故障以及受控改变导致的频率和/或电压变化的方法。
本发明涉及一种用于通过使用预测的未来负荷改变来减小电力分配中的频率和/或电压变化的方法，该预测的未来负荷改变被用作发向电动发电机组(Motor GeneratorSet，MGS)、或用于引擎的涡轮喷气辅助系统、或发电机上的自动电压调节器(AutomaticVoltage Regulator，AVR)上的速率/电力控制系统的前馈。
背景技术
当前广泛使用的船舶电力系统是柴油机电力，这意味着推进器和/或螺旋桨是电力传动并且电力是由诸如柴油发动机、燃料电池、燃气轮机、混合燃料发动机等驱动的电动发电机组提供。对MGS进行速率控制的最常见方法是由调节器结合总电力管理系统(PowerManagement System，PMS)的设定点调整来共同完成，或者由PMS自身独立完成。许多消耗体从发电设备中获得电力，推进器通常是其中最主要的一个。大量MGS通常需要被连接到发电设备，以在出现消耗体负荷变化时保持稳定的频率和/或电压，该消耗体负荷变化来自于，例如电波浪补偿、绞车、绞盘、起重机和推进器或者分配系统的突然重配置。频率和/或电压变化对于电力系统可能是致命的并且可能导致停电、子系统的副作用、以及应当被连接到电网上的发电机出现同步性问题以及增大的燃料消耗。近海产业很多年来都想要减少在线MGS的数量而不增大频率和/电压变化以及可能的停电的风险，但是对于这一问题的实质性技术方案还没有被提供。减少在线MGS的数量具有多个有益效果，例如，减少NOx排放、减少煤烟、减少燃料消耗以及减少发动机的维护。
用于对负荷和供电电源进行处理以补偿负荷变化的系统是本领域已知的，例如，US 2006/111855中典型说明的系统，其中，电力可以被从推进器重定向，例如，被重向到波浪补偿，以及US 2008/284369，其中根据与电机转矩相关的信息以及来自动态定位控制系统的信号来控制供电电源。已知的系统涉及测到得的已经出现的偏离以及感测到的供电需求，因此在这个意义上已知的系统是反应式的，由此例如，来自一个或更多消耗体的负荷的同时上升可能超过可得到的功率增长率并因此导致系统频率减小。
发明内容
所提出的发明解决了当使用通常安装在船上的设备来减少在线MGS数量时显著的频率和/电压变化问题。
本发明因此示出了整合全部预测的大消耗体的负荷改变或分配系统连同速率/电力/电压控制系统的其它突然重配置的途经，以及用于以之前从未完成的方式预测负荷变化的方法。
已知的解决方案都没有提出，相较于传统反馈补偿，对预测的全部负荷改变进行前馈能够被用于获得更加稳定的频率和/或电压。
附图说明
参照附图并以示例方式说明本发明，对本发明进行更详细地说明。
图1示出了本发明的预测和分配部分。
图2示出了MGS控制中预测的前馈数值的使用。
具体实施方式
如图1和2中所示，本发明涉及一种用于电力管理系统内的动态负荷预测(DynamicLoad Prediction，DLP)的方法和系统。DLP系统优选地包括若干预测功能120.1-6，具有前馈数值分配的整体预测负荷分配功能121以及MGS控制器122。
预测功能的目的是对针对MGS的负荷改变进行预测。这些预测之一可以是例如因计划的船速改变而产生的负荷改变，该负荷改变可以通过DP控制系统根据在受控轴的每个中的合力需求计算出来120.1以获得期望的船速。预测负荷可以是短期或长期预测(以下详述)。
短期预测能够被用于在MGS典型的1秒时间段上给出瞬时增大/减小，典型的10-30秒的长期预测能够被用于允许将由之后的负荷增大/减小进行补偿的频率/电压偏差。
另一种可能的预测改变可能涉及因诸如起重机、波浪补偿、钻孔和/或推进器手动操作杆之类的任意动态大消耗体上的设定点改变而产生的MGS负荷的改变120.2。举例来说，手动操作杆可以发送信号到推进驱动器和设定点改变预测功能120.2，设定点改变预测功能120.2对预期改变的动作和幅度进行预测。
根据本发明的系统还可以包括对剩余MGS上的额外负荷量进行预测的MGS关闭/负荷极限/发电机或连接件的断路器跳闸120.3，也可以包括对启动消耗体所需负荷进行预测的大消耗体启动控制120.4。
还可以使用预测的甩负荷，这在消耗体跳闸时对要减少的负荷量进行预测120.5。
来自例如波浪补偿的任何循环负荷的模式会给出负荷消耗的识别并且该模式被用于模式识别功能120.6内的更长时间跨度的预测。
如果将来具有可对频率/电压偏离进行补偿的负荷增大/减小，模式识别功能将会被用于允许该系统随频率/电压偏离工作。模式识别还能够被用于在实际负荷改变之前预测前馈。举例来说，系统由于高负荷可能经历降低的工作频率，但是决定不增大产生的电力，因为预测显示负荷将在可接受的时间窗口内减小并且工作频率因此回归正常。以此方式，发电量将保持稳定，并且系统上的不必要磨损以及污染将被减少。
因此，预测的装置和性质可能根据消耗体的不同，从规划调度到设备条件和磨损的评估都不同。预测电力消耗可以在长期或短期时间范围上确定，例如，在波浪补偿(长期)中，或者在由例如发电机的故障或者关闭而导致的消耗的单次上升(短期)中。
预测负荷改变被进一步发送到预测负荷分配功能121，在预测负荷分配功能121中，将来自全部单独的预测功能(120.1-6)的全部预测负荷改变相加、验证并且作为前馈数值根据从电力管理系统123接收的含有相关消耗体的功率馈送的配电盘配置状态分配到每个受影响MGS。
从123发送到121的配电盘配置状态提供与推进器和发电机等的可行组合有关的信息，因此例如，提供涉及能够为消耗体中的每个提供电力的发电机的信息。
每个前馈数值可以被进一步发送到DC总线系统上与燃料/rpm(每分钟转速)/kW相关的查找曲线或查找表，以对可变rpm的MGS上的基础rpm进行调节以获得所需转矩，这由MGS基础速率控制器122.1来解决。每个前馈数值还可以被进一步发送到用于每个MGS的速率/电力控制系统，在该系统中，该数值被作为额外负荷增益添加122.2和/或添加到涡轮增压喷射辅助系统以提高发动机响应122.3和/或添加到发电机AVR系统以提高电压响应122.4。
DP(Dynamic Prediction，动态预测)120.1中的推进器负荷预测
DP系统使用恒定跃度轨道发生器来为DP控制器计算位置、速率和加速率设定点。跃度轨迹发生器是已知的方法，例如在Haschke et al，“On-line Planning of Time-Optimal，Jerk-Limited Trajectories”IROS conference，Nice 2008中所描述的那样。速度设定点的增大将导致船舶加速度的改变。该加速度需求被转换为电力，并且被发送到DLP。轨道发生器提供了明确定义的加速进度，并且非常适合用于计算长期的未来需求。
渐渐离开位置设定点的DP定位船舶具有不断增大的电力需求直到渐渐偏离停止，并且船舶重新朝着位置设定点移动。DP控制系统能够通过模型预测来估算一次渐渐偏离的最大电力用量，并且能够将该结果提供给DLP。
DP控制系统还可以根据环境测量值(例如可能影响船舶位置和/或移动的风速和风向)来预测负荷需求，这是典型的短期预测。
DP控制系统还可以进行对配电盘部分的断电和/或推进器的损失进行模拟的分析。该分析强制针对全部的DP等级为2和3的船舶。当一个配电盘部分断电时，该分析对剩余配电盘部分的电力用量进行评估。该分析还能够对推进器损失情况下的负荷需求的改变进行计算。这能够被发送到DLP，以使得当在一个配电盘部分上检测到断电/推进器损失时，预测负荷分配功能121立即了解电力需求。
因此，总而言之，本发明涉及一种用于减小电力分配系统中的频率和/或电压变化的系统。系统包括被连接到至少一个电力发电机以及至少一个消耗体上的电力控制单元，电力控制系统适合于对所述至少一个电力发电机在该系统中带来的测算负荷以及因所述至少一个消耗体而致的电力消耗进行监视。系统还包括适合于从每个消耗体接收信息的预测分配系统。该信息与计划的或预测的电力消耗有关，并且系统因此适合于计算该系统的预期电力消耗，并且将分配的电力消耗馈送到电动发电机系统(MGS)控制器。
预测分配系统还适合于从电力管理系统接收关于配电盘配置状态的信息以及与可用的电力发电机和推进器有关的信息。以此方式，可以根据与连接到特定消耗体上的可用发电机有关的信息对需要的可用电力进行分配。
该系统优选地包括动态定位控制系统，其中，动态定位控制系统适用于根据速率或加速度改变来限定转换为负荷的力。电力系统适用于根据预测的前馈负荷增益来调节柴油发动机的速率和/或启动涡轮增压喷射辅助系统。以此方式，根据推进器或其它动态受控的大消耗体所施加的负荷变化可以减小总体频率/电压变化。
预测信息可以表示系统中的不同消耗体和发电机，例如，动态定位控制系统、可能的发电机关闭、断路器跳闸、甩负荷系统，并且可以包括的信息例如有，来自至少一个电力消耗体的设定点改变、随时间变化或者周期性的负荷、消耗体、发电机、配电盘中的人工控制或者计划性关闭操作等，从而减小或增大系统中的可用电力。这可以根据情况和消耗体短期(例如，1秒)或者长期(例如，大于20秒)执行。
所计算的预测电力消耗优选地为因每个消耗体而致并分配给电动发电机控制器的预测消耗之和。如果预测的电力是随时间变化的表或者曲线，那么将表或曲线中单独的、步进的以及随时间变化的预测值相加以指示一定时间尺度上的正向电力消耗。

Claims (11)

1.一种用于减小海洋船舶中电力分配系统中频率和/或电压变化的系统，包括：
电力控制单元，连接到至少一个电力发电机以及至少一个消耗体上，所述至少一个消耗体包括至少一个推进器或其它动态受控的大消耗体，所述电力控制单元适合于对所述至少一个电力发电机在该电力分配系统中带来的测算负荷以及因所述至少一个消耗体而致的电力消耗进行监视；以及
预测分配系统，适用于从每个消耗体接收与计划的或预测的电力消耗相关的信息，并计算该电力分配系统的预期电力消耗，并且将所分配的电力消耗馈送到电动发电机系统(MGS)控制器从而基于计划的或预测的电力消耗来增大或减小电力产生，以根据所述至少一个消耗体所施加的负荷的变化来减小总体频率变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预测分配系统还适用于从电力管理系统配电盘接收包括与可用的电力发电机和推进器相关的信息在内的信息，以根据所述可用的发电机对可用电力进行分配。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述用于减小海洋船舶中电力分配系统中频率和/或电压变化的系统包括动态定位控制系统，所述动态定位控制系统适用于根据速率改变或加速度改变来限定转换为负荷的力，并且所述电力控制单元适用于根据预测的前馈负荷增益来调节柴油发动机的速率和/或启动涡轮增压喷射辅助系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述与计划的或预测的电力消耗相关的信息表示因至少一个电力消耗体所致的设定点改变。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述与计划的或预测的电力消耗相关的信息与引致该电力分配系统中可用电力降低的发电机关闭有关。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预测在1秒的时间尺度上，表明所述电力分配系统中的短期改变。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预测包括随时间变化的电力消耗。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所预测的电力消耗被用于对DC总线系统上的共轨可变rpm机器上的基础rpm进行调节，以允许所述机器传送所需的转矩。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算包括预测电力需求的求和。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述求和产生包括有与时间相关的预测电力消耗的曲线或表。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述随时间变化的电力消耗为负荷的周期性变化。
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