DE102005056699A1

DE102005056699A1 - Schiff mit einem Universal-Landanschluss

Info

Publication number: DE102005056699A1
Application number: DE102005056699A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hartig; Hannes Dr. Schulze Horn; Kay Tigges
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schiff (1) mit Generatoren (8) zur Stromerzeugung und mit elektrischen Verbrauchern, z. B. Elektromotoren der Schiffsantriebsanlage, sowie einem Bordnetz und mit Stromrichtern (7, 12), die die elektrischen Verbraucher direkt oder über das Bordnetz bedarfsgerecht mit Elektroenergie versorgen, wobei ein an Bord des Schiffes (1) installierter, in Frequenz und Spannung regelbar ausgebildeter Stromrichter (7, 12) über eine schaltbare elektrische Leitung (3) mit einer landseitigen Stromleitung verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schiff mit Generatoren zur Stromerzeugung und mit elektrischen Verbrauchern, z.B. Elektromotoren der Schiffsantriebsanlage, sowie einem Bordnetz, und mit Stromrichtern, die die elektrischen Verbraucher direkt oder über das Bordnetz bedarfsgerecht mit Elektroenergie versorgen.

Aus der WO 2004/028899 A1 ist die elektrotechnische Ausrüstung eines Schiffes bekannt, die dem Vorstehenden entspricht. Außerdem weist die bekannte elektrotechnische Ausrüstung noch einen Energieerzeuger für den Hafenbetrieb auf, der durch einen Landanschluss über eine Steckverbindung ersetzt werden kann. Wenn der Landanschluss eingesteckt ist, übernimmt er die Energieversorgung des Schiffes im Hafen. Damit die Funktionsübernahme möglich ist, muss der Landanschluss Strom mit der Spannung und der Frequenz des Bordnetzes liefern. Nachteilig ist dabei, dass derartige Landanschlüsse speziell auf die Bedürfnisse des versorgten Schiffes ausgerichtet sein müssen und daher nur selten zur Verfügung stehen. Da die Verfügbarkeit eines passenden Ladeanschlusses in der Regel nur an einem ständigen Liegeplatz der Fall ist, muss beim Anlaufen fremder Häfen zumindest ein Dieselgeneratorsatz des Schiffes für den Hafenbetrieb weiterlaufen und produziert daher fortlaufend Abgase und Lärm. Aus diesem Grund verbieten mehr und mehr Hafenbehörden den Betrieb der Hafengeneratoren. Dies ist für Yachten bereits häufig der Fall und daher weisen viele Anlegestellen für Yachten bereits Landanschlüsse auf.

Aber auch für die Handelsschifffahrt und die Marine treten immer mehr entsprechende Beschränkungen in Kraft. Es ist Auf gabe der Erfindung, Schiffe so zu ertüchtigen, dass sie problemlos Landenergie übernehmen können, wobei Spannung und Frequenz der Landenergie dem Bordnetz nicht entsprechen müssen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein an Bord des Schiffes installierter, in Frequenz und Spannung regelbar ausgebildeter Stromrichter über eine schaltbare elektrische Leitung mit einer landseitigen Stromleitung verbindbar ist. So kann, ohne dass an Land eine große Zahl von elektrisch unterschiedlich ausgerüsteten Landanschlüssen vorhanden sein muss, durch schiffseigene Komponenten die Übernahme von Landstrom jederzeit problemlos gewährleistet werden. Es ergibt sich eine bisher unerreichte Flexibilität bei geringen Kosten, da meist ohnehin ein Stromrichter an Bord vorhanden ist, der im Hafen zu einem Landanschluss-Stromrichter umfunktioniert wird. Auch die bordseitig vorhandenen Überwachungseinrichtungen können weiter benutzt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass Spannungseinbrüche im Landnetz, die in Häfen gelegentlich vorkommen, keine Schäden an der bordeigenen Elektronik auslösen können, desgleichen Überspannungsspitzen. Beides kann der Landanschluss-Stromrichter ausgleichen. Hafenseitig kann ein ohnehin vorhandenes Nieder- oder Mittelspannungsnetz verwendet werden, das keinen besonderen Qualitätsansprüchen unterliegt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass der verwendete Landanschluss-Stromrichter derart ausgebildet ist, dass er beliebige Eingangsspannungen und Frequenzen in Spannungen und Frequenzen umwandeln kann, die aktuell im Bordnetz vorliegen. Auch Bordnetze weisen gewisse Schwankungen in ihrer Spannung und in ihren Frequenzen auf. Bisher war es daher notwendig, dass Spannung und Frequenz an Bord der Spannung und Frequenz des Landanschlusses entsprechen mussten. Das Bordnetz musste daher immer an die Landan schlussgrößen angepasst werden. Dies ist erfindungsgemäß nicht der Fall, da der Stromrichter in der Lage ist, Differenzen der Spannung und Frequenz dynamisch auszugleichen. Es genügt also eine einfache Einschaltung des Landstroms verbunden mit dem Angleichen des Ausgangsteils des Stromrichters an die jeweilige Frequenzspannung und Phasenlage des Bordnetzes, um das Schiff im Hafen mit Elektroenergie zu versorgen. Ein Synchronisieren des Bordnetzes auf das Landnetz, d.h. Ändern der Bordfrequenz- und -spannung auf die Landnetzwerte, ist sehr vorteilhaft nicht mehr notwendig.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Landanschluss-Stromrichter eine Steuer- und Regeleinrichtung aufweist, die bei ausgangsseitig geändertem Leistungsbedarf, der sich in einer Tendenz zur Frequenzänderung äußert, die Leistungsabgabe entsprechend anpasst und die Frequenz stabil hält. So kann sehr vorteilhaft erreicht werden, dass nach dem Einschalten des Landanschlusses die Energieerzeuger an Bord des Schiffes entlastet und abgeschaltet werden können, ohne dass Frequenz- und Spannungsänderungen im Bordnetz auftreten. Auch das Zuschalten zusätzlicher Verbraucher, z.B. im Rahmen der sogenannten Hotellast, beeinflusst Spannung und Frequenz des Bordnetzes nicht. Geführt von der Tendenz der Frequenz hält der Landanschluss-Stromrichter Frequenz und Spannung im Bordnetz stabil, ohne dass die Mannschaft des Schiffes nach dem Einschalten des Landanschluss-Stromrichters eingreifen muss.

Es ist dabei vorgesehen, dass der Landanschluss-Stromrichter Steuer- und Regelkomponenten aufweist, insbesondere softwarebasierte Komponenten, die auf einen Spannungsabfall oder eine Spannungserhöhung im Schiffsnetz, z.B. durch Zuschalten oder Abschalten von Generatoren oder Verbrauchern, durch eine Frequenzerhöhung oder -erniedrigung reagieren. So kann der Land anschluss-Stromrichter seine vorteilhafte Wirkung für das Bordnetz entfalten.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Landanschluss-Stromrichter eine Regeleinrichtung aufweist, die einen Vier-Quadranten-Betrieb ermöglicht. So ist ein besonders günstiger Betrieb des Landanschlusses möglich.

Die Landverbindung weist vorteilhaft innerhalb des Schiffes eine schaltbare elektrische Leitung zum Landanschluss-Stromrichter und außerhalb des Schiffes einen beweglichen Teil, z.B. in Form eines Kabels mit Steckverbindung, auf, um eine einfache Übernahme des Landstroms zu ermöglichen. Da ein Stromrichter zumeist an Bord des Schiffes ohnehin vorhanden ist und er auch Zu- und Ableitungen aufweist, die benutzt werden können, ergibt sich so häufig nur ein zusätzlicher Schalter und eine kurze feste Verbindung innerhalb des Schiffes sowie eine Steckverbindung nach außen. Eine Umrüstung ist daher sehr kostengünstig.

Als Landanschluss-Stromrichter können die unterschiedlichsten Typen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist ein PWM-Stromrichter, auf dessen einer Seite der Landstrom mit seiner Spannung und Frequenz aufgegeben werden kann und dessen andere Seite dann den Bordstrom mit der notwendigen Spannung und Frequenz liefert.

Wenn die Spannungsunterschiede zwischen dem Bordnetz und dem Landnetz sehr groß sind, wird vorteilhaft noch vorgesehen, dass ein Transformator zwischengeschaltet wird. Dieser Transformator, der vorteilhaft an Bord mitgeführt wird, kann auch ein Spartransformator sein und sollte unterschiedliche Anzapfungspunkte aufweisen. So ist eine Anpassung an die unterschiedlichsten Spannungsniveaus an Land möglich, ohne dass der Landanschluss-Stromrichter auf die unterschiedlichsten Spannungen abgestimmt sein muss. Die Umwandlung des üblicherweise verwendeten 60 Hz-Eingangsstroms in den möglicherweise 50 Hz-Bordstrom oder umgekehrt ist für einen Stromrichter kein Problem.

Weiterhin sehr vorteilhaft ist ein Stromrichter in Zwischenkreistechnik, insbesondere, wenn er einen Statikbestandteil in der Regelung aufweist. Hierfür sind intern zwei unabhängig voneinander gesteuerte und geregelte Teile vorhanden, zwischen denen Elektroenergie übergeben wird. Dies ist eine übliche Lösung, wie überhaupt die verwendeten Stromrichter und ihre Steuerungen und Regelungen lediglich einer Software-Anpassung bedürfen, die dem Fachmann geläufig ist.

Die Erfindung ist besonders günstig für Schiffe, die elektrische Antriebsanlagen aufweisen. Dies können sowohl Propellerantriebsmotoren sein, als auch Booster auf der Propellerwelle. Aber auch Schiffe mit Wellengeneratoranlagen haben die erforderlich großen Stromrichter an Bord, die erfindungsgemäß für den Hafenbetrieb eingesetzt werden sollen. Booster und Wellengeneratoranlagen sind heute bereits bei Containerschiffen verbreitet, so dass sich Containerschiffe mit ihren großen Anforderungen an Elektroenergie zum Betrieb von Kühlcontainern o.ä. als besonders geeignet für die erfindungsgemäße Lösung erwiesen haben. Aber auch Kreuzfahrtschiffe mit ihrer hohen Hotellast auch im Hafen, hier können bis 15 MW verbraucht werden, die heutzutage wegen des Fahrkomforts bereits sehr häufig mit elektrischen Antrieben ausgerüstet sind, eignen sich gut für die Anwendung der Erfindung. Selbst Marineschiffe, die eine Dieseldirektantriebsanlage haben, haben in der Regel genügend große Stromrichter an Bord, um für die erfindungsgemäße Lösung in Frage zu kommen. Das gleiche gilt für Spezialschiffe, wie Baggerschiffe, aber insbesondere für neuzeitliche große Yachten, die alle große mit Stromrichtern versehene Bordnetze installiert haben.

Nachzurüsten ist lediglich unter Umständen ein Transformator sowie einige Schalt- und Kontrolleinrichtungen, die jedoch im Verhältnis zur Schiffsgröße so klein sind, dass sie in nachrüstbaren Modulen, die im Schiff auf jeden Fall noch Platz finden, unterbringbar sind. Auch bei Neubauten braucht für die erfindungsgemäße Lösung kein gesonderter Platz vorgesehen werden. Es sind lediglich die entsprechenden Leitungsverbindungen unterzubringen, was ohne weiteres möglich ist. Das Gleiche gilt für den ggf. vorzusehenden Transformator und den Schalter in der Landanschlussverbindung.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, auch erfinderische Merkmale entnehmbar sind. Im Einzelnen zeigen:
1 ein schematisch gezeichnetes, beispielhaftes Schiff mit erfindungsgemäßen Komponenten an Bord;
2 eine schematische Darstellung der wesentlichen erfindungsgemäßen Teile am Beispiel eines Schiffes mit elektrischer Fahranlage;
3 eine schematische Darstellung der wesentlichen erfindungsgemäßen Teile am Beispiel eines Schiffes mit Hybridantrieb; und
4 die Darstellung des elektrischen Aufbaus eines geeigneten Stromrichters.
In 1 bezeichnet 1 den schematischen Umriss eines Schiffes und 2 einen Mittelspannungslandanschluss. Für den Landanschluss ist eine Spannung bis 10 kv angegeben. Dies steht beispielhaft für das Mittelspannungsnetz, das häufig in Häfen vorhanden ist. Es können natürlich auch 3,3 oder 6,6 kv sein.
Hier sind erfindungsgemäß alle Spannungen möglich. Über das schematisch angedeutete Kabel 3 wird die Elektroenergie der Steckverbindung 4 zugeführt und von dort auf das Schiffsnetz 5 übergeben. Zwischengeschaltet wird häufig noch ein Transformator 6, um vorteilhaft etwa auf die Spannung des Schiffsnetzes 5 zu kommen. In dem Schiff ist weiterhin ein beispielhaft gezeigter Stromrichter 7 vorhanden, der von einem oder mehreren der Generatoren 8 gespeist wird. Dabei kann es sich sowohl um Generatoren der Schiffsfahranlage als auch um Wellengeneratoren oder die Generatoren von Dieselgeneratorsätzen, die im Schiff verteilt sind, handeln. Über Schaltanlagen 9 und 10 wird im Beispiel ein Schiffsfahrmotor 11 mit Energie versorgt, der im Fall eines modernen Containerschiffs als Booster/Wellengeneratoranlage ausgebildet sein kann. Nicht gezeigt und nicht in die Betrachtungen einzubeziehen ist eine Dieselhauptmaschine des Schiffes, wenn diese vorhanden ist. Aber auch bei der Verwendung einer Dieselhauptmaschine steht im Schiff in der Regel mindestens ein Stromrichter für zumindestens einen Generator zur Verfügung. Wenn nicht, kann ein solcher ohne weiteres nachgerüstet werden.
In 2 bezeichnet 12 den erfindungsgemäß verwendeten Landanschluss-Stromrichter mit seiner Stromrichtersteuerung 13. 14 bezeichnet das Steuer- und Regelsystem für die Schiffsantriebe mit dem Fahrhebel 15. 16 bezeichnet das Steuer- und Regelsystem für die Bordnetzeinspeisungen und zusätzlich den Landanschluss. Die landseitige Stromeinspeisung ist mit 17 bezeichnet, sie weist eine ihr eigene Spannung U, eine Frequenz F und eine Phasenlage P auf und wird mit einem landseitigen Leistungsschalter aufgeschaltet. Mit diesen Eigenschaften geht der Strom des Landanschlusses in den Landanschlusskasten 18 und wird von dort über den Schalter 19 auf den Landanschluss-Stromrichter 12 übergeben. Der ggf. vorteilhafte Transformator ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. Da für weist der Stromrichter 12 einen Transformator 20 auf, der zusammen mit dem Stromrichter 12 und dem Motor 21 den Antriebsstrang bildet. Schalter 22 und 23 komplettieren das Antriebsschema. Es versteht sich, dass die Schalter 19 und 22 so ausgebildet sind, dass ein gleichzeitiges Schließen unmöglich ist, damit mit Sicherheit verhindert wird, dass der Motor 21 anläuft, während der Landanschluss 17 noch gelegt ist. (Verriegelung)
3 zeigt eine Abwandlung von 2. Der elektrische Fahrmotor M ist dabei durch eine elektrische Motor/Generatoreinrichtung ersetzt, die vorzugsweise auf der Propellerwelle angeordnet ist. Derartige Hybridsysteme weisen vorteilhaft noch ein Power-Managementsystem auf, in das etwa auch die in 1 gezeigten Generatoren oder die an Bord von großen Schiffen vorhandenen zusätzlichen Diesel-Generatoranlagen einbezogen werden, um eine optimale Erzeugung von Elektroenergie an Bord von Schiffen zu ermöglichen.
4 zeigt einen besonders geeigneten Stromrichter, an dessen Eingangsseite die Spannung U1 anliegt, während auf der anderen Seite die Spannung U2 gegeben ist. Der Stromrichter, der in herkömmlicher Weise dargestellt ist, weist einen Zwischenkreis auf, wobei beide Teile des Stromrichters einen unabhängigen Regler aufweisen. So können die Spannungen und Ströme für die schematisch dargestellten Leistungshalbleiter erfindungsgemäß eingestellt werden. Der Stromrichter ist mit 24 bezeichnet, während die Stromrichterregler mit 25 und 26 bezeichnet sind. Falls notwendig, weist der Stromrichter auch noch eine weitere Regelungsmöglichkeit auf, die ggf. eine Statik enthält. Diese zusätzliche Stromrichterregelung ist mit 27 bezeichnet. Sie kann eine Blindleistungskompensation durchführen. Wie bereits ausgeführt, ist es dem Stromrichterfachmann bekannt, wie derartige Stromrichter technisch ausge führt werden und die technische Ausführung derartiger Stromrichter ist auch nicht Gegenstand der Erfindung. Es wird vielmehr ein installierter Stromrichter mit bekannter Steuerung und Regelung durch Einstellung seiner Steuerung und Regelung so eingerichtet, dass er eingangsseitig das Landnetz, wie es vorliegt, verarbeiten kann und ausgangsseitig stabil einen dem Bordnetzzustand entsprechenden Strom in Bezug auf Spannung, Frequenz und Phasenlage erzeugt.

Claims

Schiff mit Generatoren zur Stromerzeugung und mit elektrischen Verbrauchern, z.B. Elektromotoren der Schiffsantriebsanlage, sowie einem Bordnetz, und mit Stromrichtern, die die elektrischen Verbraucher direkt oder über das Bordnetz bedarfsgerecht mit Elektroenergie versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass ein an Bord des Schiffes installierter, in Frequenz und Spannung regelbar ausgebildeter, Stromrichter (7, 12) über eine schaltbare elektrische Leitung (3) mit einer landseitigen Stromleitung (2) verbindbar ist.
Schiff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (7, 12) derart ausgebildet ist, dass er übliche, beliebige Eingangsspannungen und -frequenzen in Spannungen und Frequenzen umwandeln kann, die aktuell im Bordnetz vorliegen.
Schiff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Landanschluss-Stromrichter (7, 12) eine Steuer- und Regeleinrichtung (25, 26, 27) aufweist, die bei ausgangsseitig geändertem Leistungsbedarf, der sich in einer Tendenz zur Frequenzänderung äußert, die Leistungsabgabe entsprechend anpasst und die Frequenz stabil hält.
Schiff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Landanschluss-Stromrichter (7, 12) Steuer- und Regelkomponenten aufweist, insbesondere softwarebasierte Komponenten, die auf einen sich abzeichnenden Spannungsabfall oder eine sich abzeichnende Spannungserhöhung im Schiffsnetz, z.B. durch Zu- oder Abschaltungen von Generatoren oder Verbrauchern, in der Weise reagiert, dass es zu keiner Frequenzabweichung kommt.
Schiff nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (7, 12) eine Regeleinrichtung aufweist, die einen Vier-Quadranten-Betrieb ermöglicht.
Schiff nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es eine schaltbare elektrische Leitung (5) zum Stromrichter (7, 12) aufweist, wobei die schaltbare elektrische Leitung einen festen Teil an Bord des Schiffes und einen beweglichen Teil z.B. in Form eines Kabels (3) mit Steckverbindung (4), außerhalb des Schiffes (1) aufweist.
Schiff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare elektrische Leitung im Schiff (1) mit der Eingangsseite des Stromrichters (7, 12) verbunden ist und die Ausgangsseite des Stromrichters mit (7, 12) dem Bordnetz verbunden ist.
Schiff nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (7, 12) ein PWM-Stromrichter, insbesondere mit einem Statikbestandteil in der Regelung, ist.
Schiff nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter ein Zwischenkreis-Stromrichter (7, 12), insbesondere mit einem Statikbestandteil in der Regelung, ist.
Schiff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (7, 12) intern zwei unabhängig voneinander gesteuerte und geregelte Teile aufweist, zwischen denen Elektroenergie übergeben wird.
Schiff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Landanschluss-Stromrichter (7, 12) der Stromrichter einer Wellengeneratoranlage (11) verwendet wird.
Schiff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter (7, 12) der Stromrichter eines E-Propellermotors (21), z.B. eines Boostermotors, verwendet wird.
Schiff nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter (7, 12) der Stromrichter eines Bordnetzversorgungs-Generatorsatzes (8) verwendet wird.
Schiff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiff (1) einen Transformator (6) mit Spannungsabgriffen, insbesondere einen Spartransformator zum Ausgleich großer Spannungsdifferenzen, aufweist.
Schiff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Stromkabel (5) sowie Schalt- und Anzeigegeräte für den Landanschluss, z.B. in Modulform, insbesondere für Nachrüstungen, bei diesen auch unter Einschluss eines Stromrichters (7, 12), aufweist.
Schiff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiff (1) ein Kreuzfahrtschiff ist.
Schiff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiff (1) ein Marineschiff ist.
Schiff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiff (1) eine große Yacht ist.
Schiff nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiff (1) ein Containerschiff ist.