DE102012217423A1

DE102012217423A1 - Diesel electric ship propulsion

Info

Publication number: DE102012217423A1
Application number: DE102012217423.0A
Authority: DE
Inventors: Gerd Ahlf; Rainer Hartig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2014048735A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dieselelektrischen Schiffsantrieb mit zumindest einem Propeller, der durch zumindest einen Motor antreibbar ist, der über zumindest einen Umrichter aus einem Bordnetz speisbar ist, wobei von zumindest einem Diesel über zumindest einen Generator elektrische Energie in das Bordnetz einspeisbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schiffsantriebs. Um die bei einem Bremsvorgang anfallende Bremsenergie ohne die Gefahren der bekannten Lösungen nutzbar zu machen, wird vorgeschlagen, dass die beim Bremsvorgang durch den Motor erzeugte elektrische Energie in einem Energiespeicher in einem Zwischenkreis des Umrichters gespeichert wird.The invention relates to a diesel-electric ship propulsion system with at least one propeller that can be driven by at least one motor that can be fed from an on-board network via at least one converter, with electrical energy being able to be fed into the on-board network from at least one diesel via at least one generator, and a method to operate such a ship propulsion system. In order to utilize the braking energy generated during a braking process without the dangers of the known solutions, it is proposed that the electrical energy generated by the motor during the braking process be stored in an energy store in an intermediate circuit of the converter.

Description

Die Erfindung betrifft einen dieselelektrischen Schiffsantrieb mit zumindest einem Propeller, der durch zumindest einen Motor antreibbar ist, der über zumindest einen Umrichter aus einem Bordnetz speisbar ist, wobei von zumindest einem Diesel über zumindest einen Generator elektrische Energie in das Bordnetz einspeisbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schiffsantriebs. The invention relates to a diesel-electric ship propulsion system with at least one propeller, which can be driven by at least one motor, which can be fed via at least one converter from an electrical system, wherein at least one diesel can be fed into the vehicle electrical system via at least one generator, and a method for operating such a ship propulsion.

Bei dieselelektrischen Schiffsantrieben entsteht beim Bremsen ein Leistungsrückfluss vom Propeller über den elektrischen Antriebsmotor, welcher dann als Generator arbeitet. Diese Leistung muss entweder mit entsprechenden Stromrichtern in das Bordnetz rückgespeist werden, oder durch so genannte Bremswiderstände im Zwischenkreis oder im Bordnetz „verheizt“ werden. Bei Ersterem liegt die Gefahr darin, dass die Bordnetzspannung zum Einen kritisch erhöht wird, oder über die Bordnetzgeneratoren die Diesel in Rückleistung gezwungen werden, was zu Schäden führen kann. Bei Letzterem wird die beim Bremsen erzeugte Energie einfach ungenutzt verschwendet. In diesel-electric ship propulsion systems, braking results in a return of power from the propeller via the electric drive motor, which then operates as a generator. This power must either be fed back into the vehicle electrical system with the appropriate power converters or "burned" by so-called braking resistors in the DC link or in the electrical system. In the former, the danger lies in the fact that the vehicle electrical system voltage is on the one hand increased critically, or the on-board generators the diesel are forced back into action, which can lead to damage. In the latter case, the energy generated during braking is simply wasted.

Bisherige Lösungen benötigen daher entweder rückspeisefähige Umrichter zum Bordnetz oder zumindest eine Bremseinheit, welche die Rückspeiseleistung über Widerstände „verheizt“. Previous solutions therefore require either regenerative converter to the electrical system or at least a brake unit, which "burned" the regenerative power through resistors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisherigen Lösungen zu verbessern. The invention has for its object to improve the previous solutions.

Diese Aufgabe wird bei einem dieselelektrischen Schiffsantrieb der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Umrichter einen Zwischenkreis mit zumindest einem Energiespeicher aufweist, wobei der Betrieb des Energiespeichers mittels einer Steuereinheit steuerbar ist. This object is achieved in a diesel-electric ship propulsion of the type mentioned above in that the converter has an intermediate circuit with at least one energy store, wherein the operation of the energy store is controllable by means of a control unit.

Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei einem Bremsvorgang durch den Motor erzeugte elektrische Energie in einem Energiespeicher in einem Zwischenkreis des Umrichters gespeichert wird. The object is further achieved by a method of the type mentioned above, that is generated in a braking operation by the motor generated electrical energy in an energy storage in a DC link of the inverter.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist also der Zwischenkreis des Umrichters mit einem Energiespeicher, vorzugsweise einer Batterieanlage, ausgestattet, der durch die auftretende Bremsenergie geladen wird. Des Weiteren wird eine Steuereinheit benötigt, die dafür sorgt, dass die im Bremsvorgang gespeicherte Energie beispielsweise beim Anfahren oder Beschleunigen des Propellermotors entsprechend ganz oder teilweise – je nach Bedarf – zur Verfügung steht (Leistung über Zeiteinheit). Dadurch ist ein gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Wirkungsgrad möglich, da die auftretende Rückspeiseenergie nicht mehr in Bremswiderständen vernichtet wird, wobei gleichzeitig die Gefahr einer kritischen Erhöhung der Bordnetzspannung vermieden wird. In the solution according to the invention, therefore, the intermediate circuit of the converter with an energy storage device, preferably a battery system, equipped, which is loaded by the braking energy occurring. Furthermore, a control unit is required, which ensures that the energy stored in the braking process, for example when starting or accelerating the propeller motor according to wholly or partially - depending on requirements - is available (power over time unit). As a result, compared to the known solutions improved efficiency is possible because the regenerative energy is no longer destroyed in braking resistors, at the same time the risk of a critical increase in the vehicle electrical system voltage is avoided.

Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung „zumindest einen Propeller“, „zumindest einen Motor“ usw. aufweist und die Verwendung des Singulars lediglich der Vermeidung von Konstrukten wie „zumindest ein Umrichter aus der Menge der zumindest einen Umrichter“ und somit der sprachlichen Gefälligkeit dient, wobei dem Fachmann klar ist, dass beispielsweise bei Vorhandensein mehrerer Umrichter nicht jeder Umrichter einen Zwischenkreis mit Energiespeicher aufweisen muss, sondern auch entweder nur ein oder einige Umrichter einen Zwischenkreis aufweisen oder auch ein gemeinsamer Zwischenkreis für die Umrichter vorliegen kann. So kann insbesondere bei Zwei- bzw. Mehrwellenschiffen mit Vorteil ein Gleichspannungszwischenkreis mit Energiespeicher für die (alle) Propellermotoren genutzt werden. It should be noted that the inventive solution "at least one propeller", "at least one motor", etc., and the use of the singular only to avoid constructs such as "at least one inverter from the set of at least one inverter" and thus the linguistic Favors serve, it is clear to the expert that, for example, in the presence of multiple inverters, not every inverter must have a DC link with energy storage, but also either only one or some inverters have an intermediate circuit or a common DC link for the inverter can be present. Thus, in particular in two- or multi-shaft vessels with advantage a direct voltage intermediate circuit with energy storage for the (all) propeller motors can be used.

Durch den erfindungsgemäßen Energiespeicher (für den im Folgenden „Batterieanlage“ synonym verwendet wird, da dieses auch die gebräuchlichste Ausführung darstellt) steht zudem zusätzliche Kapazität zur sicheren Kurzschlussklärung (ausreichende Höhe der Kurzschlussströme) im Netz zur Verfügung. Weiter ist unter Berücksichtigung der für eine Batterieanlage notwendigen Schutzmaßnahmen ein zuverlässiger Betrieb realisierbar, wobei die Batterieanlage für „Low Voltage“ (ca. 1 kV) und „Medium Voltage“ (ca. 4,7 kV bzw. ca. 6 kV) und ebenfalls auch für „High Voltage“ ausgelegt sein kann. The energy storage device according to the invention (for which the term "battery system" is used interchangeably since this also represents the most common version) also provides additional capacity for reliable short-circuit clarification (sufficient amount of short-circuit currents) in the network. Furthermore, taking into account the necessary protective measures for a battery system reliable operation can be realized, the battery system for "low voltage" (about 1 kV) and "medium voltage" (about 4.7 kV or about 6 kV) and also can also be designed for "high voltage".

In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung besteht der Energiespeicher zumindest teilweise aus Lithium-Ionen-Batterien. Diese eignen sich besonders gut, da sie gebräuchlich sind und insbesondere keinen Memory-Effekt aufweisen. In an advantageous embodiment of the embodiment, the energy storage consists at least partially of lithium-ion batteries. These are particularly well, since they are in use and in particular have no memory effect.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Umrichter rückspeisefähig ausgeführt. Dies ermöglich der Steuereinheit, dafür zu sorgen und zu überwachen, dass die Batterieanlage zwischen einem (effektivsten) minimalen und einem maximal zulässigen Ladezustand (kritische Grenze) betrieben werden kann, ohne dass die Batterieanlage „überdimensioniert“ ausgelegt werden muss, da überschüssiger Strom (jenseits der kritischen Grenze) einfach ins Bordnetz gespeist werden kann. Dabei ist die Gefahr einer kritischen Erhöhung der Bordnetzspannung gering, da der Energiespeicher sinnvollerweise natürlich so ausgelegt wird, dass er im Normalfall die anfallende Bremsenergie zumindest größtenteils speichern kann. In a further advantageous embodiment, the converter is designed to be regenerative. This allows the control unit to provide and monitor that the battery system can be operated between a (most effective) minimum and a maximum allowable state of charge (critical limit) without requiring the battery system to be "oversized" because excess current (beyond the critical limit) can be simply fed into the electrical system. In this case, the risk of a critical increase in the vehicle electrical system voltage is low, since the energy storage usefully, of course, is designed so that it can normally at least largely save the resulting braking energy.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Bremswiderstand zum Umwandeln von bei einem Bremsvorgang durch den Motor erzeugter elektrischer Energie in Wärme vorgesehen. Auch hierdurch kann eine kritische Grenze für den Ladezustand des Energiespeichers eingehalten werden, ohne die Batterieanlage überdimensioniert auslegen zu müssen, wobei insbesondere eine Ausführung mit einer Kombination von Bremswiderstand mit rückspeisefähigem Umrichter eine Nutzung von überschüssiger Energie im Bordnetz bei zusätzlicher Sicherheit bezüglich der kritischen Bordnetzspannung von Vorteil ist. In a further advantageous embodiment, at least one braking resistor for converting by a braking operation by the Engine generated electrical energy provided in heat. This also makes it possible to comply with a critical limit for the state of charge of the energy store without having to design the battery system oversized, in which case a design with a combination of braking resistor and regenerative converter makes it possible to use excess energy in the electrical system with additional safety with respect to the critical vehicle electrical system voltage is.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei einer Erhöhung eines Lastmomentes des Motors die benötigte Energie durch den Energiespeicher zur Verfügung gestellt. Dies kann z.B. bei einem Stoßmoment durch Eisbrocken vorkommen, also insbesondere bei einem Schiff mit Eisklasse oder Eisbrecher. Die in der Batterieanlage gespeicherte Energie steht dabei insbesondere auch sehr schnell zur Verfügung. In a further advantageous embodiment, the energy required by the energy storage is provided when increasing a load torque of the engine. This can e.g. occur at a shock moment by ice chunks, so in particular in a ship with ice class or icebreaker. The stored energy in the battery system is available in particular very quickly available.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Diesel mit einer optimalen Drehzahl betrieben, wobei mehr elektrische Energie als gerade benötigt erzeugt wird, die im Energiespeicher gespeichert wird. Hierdurch kann der Diesel mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden, wobei die durch das Generator-Diesel-Set im optimierten Dieselbetrieb erzeugte überschüssige Energie dazu genutzt wird, die Batterieanlage aufzuladen. In a further advantageous embodiment, the diesel is operated at an optimum speed, with more electrical energy than just generated is generated, which is stored in the energy storage. As a result, the diesel can be operated with optimum efficiency, the excess energy generated by the generator-diesel set in the optimized diesel operation is used to charge the battery system.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird in einem Hafen der Motor zumindest teilweise mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher betrieben. Insbesondere in Kombination mit dem zusätzlichen Merkmal des vorherigen Ausführungsbeispiels – falls erfahrungsgemäß die Bremsenergie vor Erreichen des Hafens nicht ausreicht, den Energiespeicher voll zu laden – kann eine maximale Aufladung der Batterieanlage erzielt werden, wobei durch die Verwendung der gespeicherten Energie für den Propellermotor im Hafenbetrieb eine minimierte Schadstoff-Emission beim Erreichen und/oder Verlassen des Hafens ermöglicht und somit der Umweltschutz gefördert wird. In a further advantageous embodiment, the engine is operated at least partially with electrical energy from the energy store in a harbor. In particular, in combination with the additional feature of the previous embodiment - if experience shows the braking energy before reaching the port is not sufficient to fully charge the energy storage - a maximum charge of the battery system can be achieved by the use of stored energy for the propeller engine in port operation a minimized pollutant emission on reaching and / or leaving the port and thus promoting environmental protection.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei einer Erhöhung eines Energiebedarfs im Bordnetz die benötigte Energie durch den Energiespeicher zur Verfügung gestellt. Dabei kann die Steuereinheit (oder auch „Managementeinheit“) nicht nur den Betrieb so lenken, dass das Einschalten einer weiteren Generatoreinheit vermieden oder zumindest verzögert werden kann (was natürlich auch für einen erhöhten Energiebedarf am Propellermotor gilt), sondern insgesamt durch das aktive Managen der Batterieanlage netz-stabilisierende Zustände einstellen. Besonders vorteilhaft ist die schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Energie, so dass die Batterieanlage auch als Speisung im Notbetrieb bzw. zur Überbrückung hoher Energieanforderungen im Bordnetz benutzt werden kann, welche sonst zum „Black-out“ führen würden. In a further advantageous embodiment, the energy required is provided by the energy storage with an increase in energy requirements in the electrical system. In this case, the control unit (or "management unit") not only direct the operation so that switching on another generator unit can be avoided or at least delayed (which, of course, applies to an increased energy demand on the propeller engine), but in total by the active management of the Battery system Set mains-stabilizing states. Particularly advantageous is the rapid availability of the stored energy, so that the battery system can also be used as power supply in emergency mode or to bridge high energy requirements in the electrical system, which would otherwise lead to the "black-out".

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die Figur zeigt:
eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Antriebsanlage. In the following, the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiment shown in the figure. The figure shows:
a circuit diagram of a drive system according to the invention.

Die Figur zeigt anhand einer Schaltskizze eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen dieselelektrischen Schiffsantriebs 1 mit einem Propeller 2, der durch einen Motor 3 antreibbar ist, der über einen Umrichter 4 aus einem Bordnetz 5 speisbar ist, wobei von einem Diesel 6 über einen Generator 7 elektrische Energie in das Bordnetz 5 einspeisbar ist. Bei derartigen Antriebsanlagen 1 entsteht beim Bremsen des Schiffes ein Leistungsrückfluss vom Propeller 2 über den elektrischen Antriebsmotor 3, der dann als Generator arbeitet. Um diese Leistung nutzbar zu machen und somit den Wirkungsgrad des Schiffsantriebs 1 zu verbessern, weist der Umrichter 4 einen Zwischenkreis 8 mit einem Energiespeicher 9 auf, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Batterieanlage ausgebildet ist. Die Batterieanlage 9 sollte dabei vorzugsweise aus Batterieelementen bestehen, die keinen Memory-Effekt aufweisen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien. The figure shows by means of a circuit diagram a schematic representation of a diesel-electric ship propulsion system according to the invention 1 with a propeller 2 that by a motor 3 can be driven by an inverter 4 from a wiring system 5 is fueled, being by a diesel 6 via a generator 7 electrical energy in the electrical system 5 can be fed. In such drive systems 1 When the ship is braking, there is a return of power from the propeller 2 via the electric drive motor 3 who then works as a generator. To make use of this power and thus the efficiency of the ship propulsion 1 to improve, instructs the inverter 4 a DC link 8th with an energy storage 9 on, which is formed in the illustrated embodiment as a battery system. The battery system 9 should preferably consist of battery elements that have no memory effect, such as lithium-ion batteries.

Der Betrieb des Energiespeichers 9 ist mittels einer Steuereinheit 10 steuerbar, wobei diese hier nur schematisch als eigenständige Einheit dargestellt ist. In der Praxis werden die Steuereinheit 10 bzw. die von ihr bereitgestellten Funktionalitäten in einer übergeordneten Steuerung integriert sein. The operation of the energy storage 9 is by means of a control unit 10 controllable, which is shown here only schematically as an independent unit. In practice, the control unit 10 or the functionalities provided by it are integrated in a higher-level control.

Vorteilhafterweise nutzt das Generator-Diesel-Set 6, 7 überschüssige Energie (im wirkungsgrad-optimierten Dieselbetrieb) dazu, die Batterieanlage 9 aufzuladen, so dass genug Energie gespeichert ist, um beispielsweise Veränderungen des Lastmoments am Motor 3 (z.B. Stoßmomente durch Eisbrocken, insbesondere bei Schiffen mit Eisklasse oder Eisbrechern) durch Energie aus der Batterieanlage 9 abzufangen, um bei erhöhten Energieanforderungen im Bordnetz 5 (bei rückspeisefähigem Umrichter 4) oder am Motor 3 das Zuschalten weiterer Generatoreinheiten zu vermeiden oder zumindest hinauszuzögern, um als Speisung im Notbetrieb (bei einem „Black-out“) zu dienen und nicht zuletzt um im Hafenbetrieb eine minimierte Schadstoff-Emission zu ermöglichen. Advantageously, the generator uses diesel set 6 . 7 excess energy (in efficiency-optimized diesel operation) to the battery system 9 so that enough energy is stored, for example, changes in the load torque on the engine 3 (eg shock moments caused by chunks of ice, especially in ships with ice class or icebreakers) by energy from the battery system 9 intercept to meet increased energy requirements in the electrical system 5 (with regenerative inverter 4 ) or on the engine 3 avoiding or at least delaying the connection of further generator units in order to serve as a supply in emergency mode (in the event of a "black-out") and not least in order to enable minimized pollutant emission in port operation.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen dieselelektrischen Schiffsantrieb mit zumindest einem Propeller, der durch zumindest einen Motor antreibbar ist, der über zumindest einen Umrichter aus einem Bordnetz speisbar ist, wobei von zumindest einem Diesel über zumindest einen Generator elektrische Energie in das Bordnetz einspeisbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schiffsantriebs. Um die bei einem Bremsvorgang anfallende Bremsenergie ohne die Gefahren der bekannten Lösungen nutzbar zu machen, wird vorgeschlagen, dass die beim Bremsvorgang durch den Motor erzeugte elektrische Energie in einem Energiespeicher in einem Zwischenkreis des Umrichters gespeichert wird. In summary, the invention relates to a diesel-electric ship propulsion system with at least one propeller, which can be driven by at least one motor, which can be fed via at least one converter from an electrical system, wherein at least one diesel via at least one generator electrical energy is fed into the electrical system, as well as a Method for operating such a marine propulsion system. In order to make use of the braking energy generated during a braking operation without the dangers of the known solutions, it is proposed that the electrical energy generated during the braking process by the motor be stored in an energy store in a DC link of the converter.

Claims

Diesel electric marine propulsion ( 1 ) with at least one propeller ( 2 ) by at least one engine ( 3 ) which can be driven by at least one converter ( 4 ) from a vehicle electrical system ( 5 ) is fueled, wherein of at least one diesel ( 6 ) via at least one generator ( 7 ) electrical energy in the electrical system ( 5 ), characterized in that the inverter ( 4 ) a DC link ( 8th ) with at least one energy store ( 9 ), wherein the operation of the energy store ( 9 ) by means of a control unit ( 10 ) is controllable.

Ship propulsion system according to claim 1, wherein the energy store ( 9 ) consists at least partially of lithium-ion batteries.

A marine propulsion system according to claim 1 or 2, wherein the inverter ( 4 ) is designed to be regenerative.

Marine propulsion system according to one of the preceding claims, wherein at least one braking resistor for converting by a braking operation by the engine ( 3 ) is provided in electrical energy in heat.

Method for operating a diesel-electric ship propulsion system ( 1 ) with at least one propeller ( 2 ) by at least one engine ( 3 ) is driven by at least one inverter ( 4 ) from a vehicle electrical system ( 5 ) is fed by at least one diesel ( 6 ) via at least one generator ( 7 ) electrical energy in the electrical system ( 5 ) is fed, characterized in that during a braking operation by the engine ( 3 ) generated electrical energy in an energy store ( 9 ) in a DC link ( 8th ) of the inverter ( 4 ) is stored.

Method according to claim 5, wherein as energy store ( 9 ) at least partially lithium-ion batteries are used.

Method according to claim 5 or 6, wherein the engine ( 3 ) generated electrical energy at least partially in the electrical system ( 5 ) is fed back.

Method according to one of claims 5 to 7, wherein by the engine ( 3 ) is at least partially converted into heat in at least one braking resistor.

Method according to one of claims 5 to 8, wherein when increasing a load torque of the engine ( 3 ) the energy required by the energy storage ( 9 ) is made available.

Method according to one of claims 5 to 9, wherein the diesel ( 6 ) is operated at an optimum speed, wherein more electrical energy than just needed is generated in the energy storage ( 9 ) is stored.

Method according to one of claims 5 to 10, wherein in a port the engine ( 3 ) at least partially with electrical energy from the energy store ( 9 ) is operated.

Method according to one of claims 5 to 11, wherein at an increase of an energy requirement in the electrical system ( 5 ) the energy required by the energy storage ( 9 ) is made available.