DE102016008047A1

DE102016008047A1 - Steuersystem und Steuerstrategie für einen Generatorsatz

Info

Publication number: DE102016008047A1
Application number: DE102016008047.7A
Authority: DE
Inventors: Yanchai Zhang; Vijay Janardhan; Perry D. CONVERSE
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2017-01-12
Also published as: US20170012439A1; CN106451564A

Abstract

Eine Vielzahl von Generatorsätzen (120) oder Gensätzen, die jeweils einen Elektrogenerator (124) aufweisen, der mit einem Primärantrieb (122) assoziiert ist, ist parallel angeordnet, um elektrische Leistung für eine isoliert gelegene elektrische Last (134) zu erzeugen. Um Überlegungen bezüglich der Brennstoffeffizienz und Emissionen oder ähnliche Überlegungen zu berücksichtigen, die mit den Primärantrieben (122) assoziiert sind, kann ein Verfahren zur asymmetrischen Lastaufteilung verwendet werden, um den Betrieb der Vielzahl von Generatorsätzen (120) zu regeln. Eine Steuerstrategie ist konfiguriert, um Wirkleistungsanforderungen (204) der elektrischen Last (134) unter der Vielzahl von Generatorsätzen (120) gemäß dem Verfahren zur asymmetrischen Lastaufteilung zuzuordnen. Die Steuerstrategie kann die Blindleistungsanteile der elektrischen Last (134) zusätzlich zu den Wirkleistungsanteilen berücksichtigen.

Description

Technisches Gebiet
Diese Patentoffenbarung bezieht sich allgemein auf eine Vielzahl von Generatorsätzen, die zusammen angeordnet sind, um elektrische Leistung für eine elektrische Last zu erzeugen, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Strategie zum Verteilen der elektrischen Last unter der Vielzahl von Generatorsätzen.
Hintergrund
Eine Art zur Erzeugung von elektrischer Leistung in Form von Wechselstrom zum Liefern von elektrischer Leistung für eine elektrische Last, insbesondere, wenn eine Verbindung mit einem größeren elektrischen Leistungsnetz, welches von Versorgern unterstützt wird, nicht leicht verfügbar (d. h. ”netzfern”) ist, ist es, einen Generatorsatz oder kurz gesagt Gensatz zu verwenden. Ein Generatorsatz weist eine Kombination eines Primärantriebs und eines Elektrogenerators oder Wechselstromgenerators auf. Der Primärantrieb kann ein mechanischer Motor sein, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor (beispielsweise ein verdichtungsgezündeter Dieselmotor) oder eine Gasturbine, in denen ein kohlenwasserstoffbasierter Brennstoff und Luft verbrannt wird, um die chemische Energie darin freizugeben und diese Energie in eine mechanische Kraft oder Bewegungskraft umzuwandeln. Die Bewegungskraft wird wiederum verwendet, um einen Rotor relativ zu einem Stator des Generators zu drehen, so dass ein Magnetfeld, welches durch eine Komponente erzeugt wird, elektrischen Strom in den Feldwicklungen induziert, die mit der anderen Komponente assoziiert sind. Die erzeugte Elektrizität wird verwendet, um elektrische Einrichtungen mit Leistung zu versorgen, die über ein elektrisches Netzwerk oder einen Schaltkreis mit dem Generatorsatz verbunden sind, d. h., die elektrische Last. Weil elektrische Einrichtungen oft ausgelegt sind, um innerhalb spezieller elektrischer Parameter zu arbeiten, wie beispielsweise bei einer Nenn-Frequenz und Nenn-Spannung, ist es wichtig, dass die elektrische.
Ausgabe des Generatorsatzes so gesteuert wird, dass sie mit den Nenn-Charakteristiken übereinstimmt.
Der Generatorsatz wird typischerweise betrieben, um ausreichende Leistungsausgabe zu erzeugen, oft in Watt oder Kilowatt gemessen, so dass die Leistung geliefert wird, die von der elektrischen Last angefordert wird, welche oft mit der Zeit fluktuiert. Gelegentlich kann jedoch die Nachfrage höher sein als das, was von einem einzelnen Generatorsatz geliefert wird. In solchen Fällen können mehrere Generatorsätze zusammen in paralleler Anordnung betrieben werden, um gemeinsam die Leistungsanforderung zu erfüllen. Es ist daher nötig, die tatsächliche Leistungsanforderung unter der Vielzahl von Generatorsätzen zu verteilen bzw. zuzuweisen, insbesondere, wenn die Leistungsanforderung sich verändert oder fluktuiert. Es ist auch nötig, die Generatorsätze so zu betreiben oder zu konfigurieren, dass sie eine Leistungsausgabe liefern, die mit den erforderlichen Nenn-Charakteristiken der elektrischen Last übereinstimmt. Dies kann durch die Tatsache kompliziert gemacht werden, dass unterschiedliche Generatorsätze der Vielzahl unterschiedliche Ausgabecharakteristiken oder elektrische Nenn-Leistungen haben als andere Generatorsätze der Vielzahl. Dies wird weiter durch die Tatsache kompliziert gemacht, dass zusätzlich dazu, dass die von der elektrischen Last angefragte Leistung erfüllt wird, die Blindleistung aufgrund von reaktiven Komponenten oder Einrichtungen, die physische Teile der Last sind, berücksichtigt werden muss.
Eine Technik zum Zuweisen bzw. Verteilen der Leistungsanforderung unter mehreren Generatorsätzen ist es, sie basierend auf dem Anteil ihrer individuellen Nenn-Kapazitäten für Leistungsausgabe in einer Weise synchron zu betreiben, die manchmal als symmetrische Lastverteilung oder symmetrische Lastaufteilung bezeichnet wird. Bei der symmetrischen Lastaufteilung wird die Wirkleistungsanforderung von der elektrischen Last in einen Prozentsatz oder ein Verhältnis der Gesamtkapazität der kombinierten Generatorsätze umgewandelt. Jeder Generatorsatz wird so betrieben, dass er Leistung gemäß seiner relativen Kapazität proportional zur Gesamtkapazität der kombinierten Generatorsätze ausgibt. Daher werden alle Generatorsätze mit dem gleichen Prozentsatz ihrer individuellen relativen Kapazität betrieben, und theoretisch sollten sie dem gleichen Beanspruchungs- und Abnutzungsniveau unterworfen sein, auch wenn einige Generatorsätze eine größere absolute Ausgabe erzeugen als andere Generatorsätze. Ein weiterer Vorteil einer symmetrischen Lastaufteilung ist, dass die Blindleistungs- oder Scheinleistungskomponenten des Wechselstroms auch proportional verteilt sind und in zufriedenstellender Weise berücksichtigt werden.
Während symmetrische Lastverteilung dabei hilft, sicherzustellen, dass jeder Generatorsatz der Vielzahl innerhalb seiner elektrischen Kapazität und Fähigkeiten betrieben wird, berücksichtigt symmetrische Lastaufteilung nicht notwendigerweise Effizienz und andere Überlegungen, die mit dem Primärantriebsteil des Generatorsatzes assoziiert sind. Beispielsweise kann der Primärantrieb, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor, mit einer Spitzenbrennstoffeffizienz arbeiten, wie sie durch eine Drehmoment-Brennstoff-Kurve bestimmt wird, die nicht mit der Ausgabe des Generatorsatzes in Korrelation steht, die von der symmetrischen Lastaufteilungsanordnung nachgefragt wird. Andere Betrachtungen, die nicht berücksichtigt werden können, weisen Emissionen aus dem Primärantrieb auf. Um die mit dem Primärantrieb assoziierten Überlegungen anzusprechen, ist eine weitere Technik zur Zuordnung der Wirkleistungsanforderung unter mehreren Generatorsätzen eine asymmetrische Lastaufteilung. Ein Beispiel einer asymmetrischen Lastaufteilung oder Lastverteilung wird in der US-Veröffentlichung Nummer 2014/0152006 (”der '006-Veröffentlichung”) beschrieben, in welcher eine Effizienzdatenbank mit Brennstoffeffizienzdaten befragt wird, wenn eine Wirkleistungsanforderung unter den Generatorsätzen zugeteilt wird. Während die asymmetrische Lastaufteilung, wie sie in der '006-Veröffentlichung beschrieben wird, Effizienzüberlegungen berücksichtigen mag, welche mit dem Primärantrieb assoziiert sind, kann sie wiederum die proportionale Balance der Anforderungen an die elektrische Ausgabe unter der Vielzahl von Generatorsätzen verändern. Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, diese Überlegungen anzusprechen.
Zusammenfassung
Die Offenbarung beschreibt gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Betrieb einer Vielzahl von Generatorsätzen in einer asymmetrischen Lastverteilungsanordnung bezüglich einer elektrischen Last. Gemäß dem Verfahren wird eine Wirkleistungsanforderung, die mit der elektrischen Last assoziiert ist, empfangen und verwendet, um eine berechnete Wirkleistungsanforderung pro Generatorsatz für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen zu berechnen. Gemäß asymmetrischen Lastaufteilungsstrategien können die berechneten Wirkleistungsanforderungen pro Generatorsatz auf mindestens einem der Folgenden basieren: der Wirkleistungsanforderung, Brennstoffverbrauchsüberlegungen und Emissionsüberlegungen, die mit den Primärantrieben der Generatorsätze assoziiert sind. Das Verfahren berechnet weiter eine berechnete Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen basierend auf der berechneten Wirkleistungsanforderung pro Generatorsatz und einem Nennleistungsfaktor, der mit jedem der Vielzahl von Generatorsätzen assoziiert ist. Das Verfahren bestimmt im Folgenden eine Gesamtblindleistungsversetzung basierend auf der berechneten Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz und einer tatsächlichen Blindleistungsanforderung von der elektrischen Last. Die Gesamtblindleistungsversetzung wird unter der Vielzahl von Generatorsätzen zugeordnet, um eine Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen vorzusehen. Das Verfahren bestimmt danach eine letztendliche Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz für die Vielzahl von Generatorsätzen basierend auf der Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz und der berechneten Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz und betreibt die Vielzahl von Generatorsätzen gemäß der jeweiligen letztendlichen Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz.
Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein elektrisches Leistungssystem, welches einen ersten Generatorsatz mit einem ersten Nennleistungsfaktor und einen zweiten Generatorsatz mit einem zweiten Nennleistungsfaktor hat. Die ersten und zweiten Generatorsätze sind in einer parallelen Anordnung mit einem gemeinsamen Bus verbunden, der mit einer elektrischen Last in Verbindung steht. Das elektrische Leistungssystem weist eine Optimierungssteuervorrichtung für mehrere Motoren auf, die konfiguriert ist, um zumindest eine erste berechnete Wirkleistungsanforderung, die mit dem ersten Generatorsatz assoziiert ist, und eine zweite berechnete Wirkleistungsanforderung, die mit dem zweiten Generatorsatz assoziiert ist, zu optimieren. Die ersten und zweiten berechneten Wirkleistungsanforderungen können auf einer Wirkleistungsanforderung von der elektrischen Last und mindestens einem von Folgenden basieren: Brennstoffverbrauchsüberlegungen und Emissionsüberlegungen. Um die Blindleistungskomponenten, die mit der elektrischen Last assoziiert sind, anzusprechen, weist das elektrische Leistungssystem auch eine Blindleistungssteuervorrichtung in elektrischer Verbindung mit der Optimierungssteuervorrichtung für mehrere Motoren und mit dem ersten Generatorsatz und mit dem zweiten Generatorsatz auf. Die Blindleistungssteuervorrichtung kann konfiguriert sein, um eine erste berechnete Blindleistungsanforderung, teilweise basierend auf dem ersten Nennleistungsfaktor, und eine zweite berechnete Blindleistungsanforderung, teilweise basierend auf dem zweiten Nennleistungsfaktor, zu berechnen. Weiterhin kann die Blindleistungssteuervorrichtung eine Gesamtblindleistungsversetzung bestimmen, die zumindest mit sowohl dem ersten Generatorsatz als auch dem zweiten Generatorsatz assoziiert ist. Die Blindleistungssteuervorrichtung ordnet dann die Gesamtblindleistungsversetzung dem ersten Generatorsatz und dem zweiten Generatorsatz zu, um eine erste Blindleistungsversetzung vorzusehen, die mit dem ersten Generatorsatz assoziiert ist, und eine zweite Blindleistungsversetzung, die mit dem zweiten Generatorsatz assoziiert ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern einer Vielzahl von Generatorsätzen, die parallel in einer asymmetrischen Lastaufteilungsanordnung angeordnet sind. Die elektronische Steuervorrichtung hat ausführbare Instruktionen zum Optimieren einer Wirkleistungsanforderung für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen basierend auf Überlegungen bezüglich Effizienz und/oder Emissionen, die mit einem Primärantrieb eines jeweiligen Generatorsatzes assoziiert sind. Außerdem hat die elektronische Steuervorrichtung ausführbare Instruktionen zum Berechnen einer berechneten Blindleistungsanforderung für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen basierend auf einem Nennleistungsfaktor, der mit einem jeweiligen Generatorsatz assoziiert ist, und ausführbare Instruktionen zum Bestimmen einer Gesamtblindleistungsversetzung für die Vielzahl von Generatorsätzen basierend auf einer tatsächlichen Blindleistungsanforderung, die durch eine elektrische Last gemacht wird. Die elektronische Steuervorrichtung kann die Gesamtblindleistungsversetzung unter der Vielzahl von Generatorsätzen aufteilen bzw. zuordnen, um eine letztendliche Blindleistungsanforderung für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen vorzusehen. Die elektronische Steuervorrichtung kann auch eine letztendliche Scheinleistungsanforderung für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen basierend auf der letztendlichen Blindleistungsanforderung für jeden der Vielzahl von Generatorsätze und die Wirkleistungsanforderung für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen bestimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Wasserfahrzeugs mit einer Vielzahl von Generatorsätzen (Gensätzen) zur Erzeugung von elektrischer Leistung für die elektrischen Erfordernisse oder Lasten des Fahrzeugs, und verschiedene elektronische Steuervorrichtungen zum Regulieren des Betriebs der Generatorsätze.
2 ist eine schematische Darstellung einer Steuerstrategie, die durch die elektronischen Steuervorrichtungen ausgeführt wird, um den Betrieb der Vielzahl von Generatorsätzen zu regeln, die konfiguriert ist, um die Wirk- und Blindanteile der elektrischen Last zu berücksichtigen.
3 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuerstrategie verkörpert und mögliche Routinen zum Regulieren des Betriebs der Vielzahl von Generatorsätzen veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein elektrisches Leistungssystem, welches eine Vielzahl von Generatorsätzen (Gensätzen) zur Erzeugung von elektrischer Leistung, insbesondere Wechselstrom, und Steuerstrategien und elektronische oder digitale Steuervorrichtungen zum Regeln des Betriebs der Generatorsätze aufweist. Nun mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen, ist in 1 ein elektrisches Leistungssystem 100 veranschaulicht, welches ausgebildet sein kann, um elektrische Leistung für eine isolierte bzw. fern gelegene elektrische Last zu erzeugen, wie beispielsweise für die elektrischen Anforderungen eines Wasserfahrzeugs 102, wie beispielsweise ein Fracht- oder Lastschiff, wie gezeigt. Insbesondere kann das elektrische Leistungssystem 100 elektrische Leistung für die Antriebseinheiten 104 des Wasserfahrzeugs erzeugen, welche eine Vielzahl von Dreh-Schubdüsen bzw. Propellergondeln sein kann. Propellergondeln sind elektrisch angetriebene Einheiten, die sich unabhängig bezüglich der Hülle bzw. des Rumpfes des Wasserfahrzeugs drehen können, was die Notwendigkeit eines Ruders eliminiert. Die Propellergondeln werden durch Elektrizität angetrieben, die durch das elektrische Leistungssystem 100 erzeugt wird, und zwar anstatt direkt durch eine Leistungseinheit angetrieben zu werden, wie beispielsweise durch einen Motor, einen Reaktor oder einen Kessel. Zusätzlich zu den Antriebseinheiten 104 können die elektrischen Anforderungen des Wasserfahrzeugs motorisierte Kräne 106 zum Anheben und Bewegen von Fracht, Kommunikationseinrichtungen 108 zum Kommunizieren mit der Küste und mit anderen Wasserfahrzeugen und Navigationssteuerungen 110 aufweisen, die in der Brücke 112 des Wasserfahrzeugs angeordnet sein können, um die Bewegung und den Betrieb des Wasserfahrzeugs zu leiten. Diese Vorrichtungen bilden die elektrische Last des Wasserfahrzeugs.
Wie klar sein wird, ist das Wasserfahrzeug 102 elektrisch von einem größeren Stromnetz getrennt und weist daher das unabhängige elektrische Leistungssystem 100 auf, um seine Anforderungen bezüglich elektrischer Leistung zu versorgen. Das unabhängige „netzferne” elektrische Leistungssystem 100 kann als ein isoliertes System oder eine Insellösung bezeichnet werden. Andere Seefahrtanwendungen für das unabhängige Leistungssystem 100 weisen zusätzlich zu dem veranschaulichten Frachtschiff Militärschiffe, Passagierschiffe, Tanker usw. auf. Zusätzlich dazu, dass es für Wasserfahrzeuge 102 verwendet wird, kann das hier beschriebene unabhängige elektrische Leistungssystem 100 für Öl- oder Gasförderanwendungen, für temporäre Militärbasen oder irgendwelche anderen elektrischen Anwendungen verwendet werden, wo elektrische Leistung von einem von einem Versorger belieferten Leistungsnetz nicht leicht verfügbar ist oder unterbrochen werden kann. Daher ist eine Charakteristik des hier beschriebenen elektrischen Leistungssystems, dass es unabhängig von einem größeren elektrischen Netz arbeiten kann, in welchem elektrische Leistung durch andere Quellen geliefert wird, wie beispielsweise durch Kraftwerke, Nuklearreaktoren, Wasserdammkraftwerke usw.
Um elektrische Leistung zu erzeugen, weist das elektrische Leistungssystem 100 eine Vielzahl von Generatorsätzen 120 oder Gensätzen auf, welche zusammenarbeiten können. Insbesondere weist jeder Generatorsatz 120 einen Primärantrieb 122 auf, wie beispielsweise einen Verbrennungsmotor, und insbesondere einen verdichtungsgezündeten Dieselmotor, und einen Elektrogenerator 124 oder Wechselstromgenerator, der mit dem Primärantrieb gekoppelt ist. Der Primärantrieb 122 kann Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft verbrennen, um eine mechanische Kraft oder Bewegungsleistung zu erzeugen, die ein Magnetfeld in dem Elektrogenerator 124 dreht, welches in elektrische Leistung umgewandelt wird. Um Brennstoff für den Primärantrieb 122 zur Verbrennung zu liefern, kann das elektrische Antriebssystem 100 betriebsmäßig mit einem oder mehreren Brennstofftanks 126 oder Reservoirs assoziiert sein. Zusätzlich zu dem Beispiel eines Verbrennungsmotors weisen andere Variationen von Primärantrieben 122 Gasverbrennungsturbinen, Rotationskolbenmotoren, Reaktoren, Dampfkessel usw. auf. Während die elektrische Kapazität der hier beschriebenen Generatorsätze 120 auf irgendeine geeignete Nenngröße festgelegt sein kann, kann ein beispielhafter Generatorsatz mehrere Kilowatt erzeugen, und die Kombination der Generatorsätze kann zusammen mehrere 100 kW erzeugen. Um den Betrieb des Primärantriebs 122 und der Elektrogeneratoren 124 zu regeln, kann jeder Generatorsatz 120 eine elektronische Generatorsatzsteuervorrichtung 128 aufweisen, die eine Computer- bzw. Berechnungsvorrichtung sein kann, welche typische Berechnungs- und Digitalverarbeitungsfunktionen ausführen kann.
Die elektrische Leistung, die von den Elektrogeneratoren 124 der Generatorsätze 120 erzeugt wird, kann in Form von Wechselstrom oder AC-Elektrizität (AC = Alternating Current = Wechselstrom) vorliegen, wo Spannung und der Stromfluss periodisch die Richtung wechseln, und zwar im Gegensatz zu Gleichstrom oder DC-Elektrizität (DC = Direct Current = Gleichstrom). Die Phasenänderung oder Verschiebung in Richtung des Wechselstroms kann Strom und Spannung gemäß einer zyklischen Wellenform erzeugen, insbesondere einer Sinuswellenform, wobei die Amplitude des Stroms und der Spannung periodisch und wiederholt von einem positiven Wert zu einem gleichen negativen Wert und zurück zum positiven Wert wechselt. Daher ist jeder der Generatorsätze 120 so gezeigt, dass er eine Wechselstromwellenform 130 erzeugt. Um den erzeugten elektrischen Strom zu kombinieren, kann die Vielzahl von Generatorsätzen 120 elektrisch mit einem gemeinsamen Bus 132 oder einer Busschiene in paralleler Anordnung verbunden sein. In einer parallelen Anordnung ist der gesamte Strom, der von dem elektrischen Leistungssystem 100 erzeugt wird, die Summe der einzelnen Ströme, die von jedem der Vielzahl von Generatorsätzen 120 erzeugt wird, während das Potenzial oder die Spannung im Allgemeinen an jedem der Generatorsätze gleich ist. Der gemeinsame Bus 132 kann elektrisch durch ein Netzwerk oder eine Schaltung mit der elektrischen Einrichtung des Wasserfahrzeugs 102 verbunden sein, was zusammen so angesehen wird, dass dies die elektrische Last 134 des Fahrzeugs ausmacht. Die Vielzahl von Generatorsätzen ist daher jeweils verantwortlich, um einen Teil der elektrischen Last 134 des Fahrzeugs vorzusehen, und zusammen bilden sie die Leistungsquelle des Fahrzeugs.
In einer linearen Wechselstromschaltung, wo die elektrische Last rein resistiv ist, können die Sinuswellenformen von Strom und Spannung in Phase miteinander sein, so dass ihre Polaritäten sich im gleichen Moment ändern und das Produkt der zwei Werte immer positiv ist. Es wird daher angenommen, dass die Schaltung positive Leistung an die elektrische Last liefert. Jedoch ist ein Aspekt, der mit der Erzeugung von elektrischer Leistung in Form von Wechselstrom assoziiert ist, dass die erforderliche Gesamtleistung die Ist- oder Wirkleistung übersteigen kann, die von der elektrischen Last verbraucht wird. Dies kann auftreten, wenn die Elemente, Komponenten oder Vorrichtungen, die physisch die elektrische Schaltung bilden, welche die elektrische Last bildet, sowohl rein resistive Komponenten aufweisen, die für den Verbrauch und die Umwandlung von elektrischer Leistung in andere Formen von nutzbarer Leistung verantwortlich sind, als auch reaktive Komponenten bzw. Blindleistungskomponenten, welche Blindleistungseffekte bezüglich der Leistung aufprägen. Insbesondere wenn reaktive Elemente bzw. Blindleistungselemente, wie beispielsweise kapazitive oder induktive Elemente, in der elektrischen Schaltung vorgesehen sind, welche die elektrische Last 34 bildet, werden die Blindleistungselemente bewirken, dass die Sinuswellenformen von Strom und Spannung sich außer Phase zueinander verschieben, wodurch ein zusätzlicher Widerstand gegen die Übertragung von Energie in die Schaltung hinzugefügt wird. Um den zusätzlichen Widerstand zu überwinden, muss das elektrische Leistungssystem den Blindleistungsteil der Leistungsanforderung berücksichtigen, welche von der elektrischen Last nachgefragt wird, welche als Blindleistung bezeichnet wird, und zwar zusätzlich zu dem Wirkleistungsteil oder der Wirkleistung, die in Arbeit umgewandelt wird. Die Kombination von Wirkleistung und Blindleistung kann als Scheinleistung bezeichnet werden, d. h., die gesamte Leistung, die von der elektrischen Last verbraucht wird.
Weil die Generatorsätze 120 parallel verbunden sind, muss ihre elektrische Ausgabe einschließlich der Wirk- und Blindleistungskomponenten zu Synchronisationszwecken reguliert werden. Um die Vielzahl von Generatorsätzen 120 zu regulieren und zu koordinieren, können eine oder mehrere elektronische Steuervorrichtungen mit jeder der Steuervorrichtungen 128 der einzelnen Generatorsätze kommunizieren, welche den Betrieb der einzelnen Generatorsätze anleiten, welche in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel MEO-Steuervorrichtungen 140 (MEO = multi-engine optimizer = Optimierungsgerät für mehrere Motoren) und eine Blindleistungssteuervorrichtung 142 aufweisen können, deren Funktionen hier genauer beschrieben werden. Die elektronischen Steuervorrichtungen können einen Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = application specific integrated circuit) oder eine andere geeignete Schaltung zum Ausführen von Logik- und Digitalfunktionen aufweisen, und sie können einen assoziierten Speicher oder ähnliche Datenspeichereigenschaften haben. Die elektronischen Steuervorrichtungen können diskrete einzelne Einheiten sein oder ihre Funktionen können über eine Vielzahl von getrennten Komponenten verteilt sein. Somit können die MEO-Steuervorrichtung 140 und die Blindleistungssteuervorrichtung 142 in der gleichen Berechnungseinheit ausgeführt sein, anstatt in zwei getrennten Einheiten, wie in 1 gezeigt. Die elektronischen Steuervorrichtungen können miteinander unter Verwendung von Digitalsignalen, Analogsignalen oder durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel arbeiten und kommunizieren. Die elektronischen Steuervorrichtungen können miteinander durch verdrahtete Verbindungen kommunizieren oder können drahtlos durch Hochfrequenz oder WiFi-Medien kommunizieren.
Wie oben beschrieben, ist ein Verfahren zum Synchronisieren der Vielzahl von Generatorsätzen 120 eine symmetrische Lastaufteilung, wobei jeder Generatorsatz einen proportionalen Anteil der gesamten elektrischen Anforderung von der Last ausgibt. Wenn beispielsweise die gesamte Anforderung der elektrischen Last 100 kW ist, und wenn das elektrische Leistungssystem 100 zwei Generatorsätze 120 mit gleicher Nennleistung aufweist, kann jeder Generatorsatz 120 50 kW Leistung erzeugen, oder er kann eine Hälfte der elektrischen Leistung ausgeben. Wenn jedoch die Generatorsätze keine gleiche Nennleistung haben, bestimmt die Strategie mit symmetrischer Lastaufteilung auf proportionaler Grundlage oder auf Grundlage von proportionaler Nennleistung, welchen Anteil der elektrischen Last jeder Generatorsatz liefern muss. Wenn beispielsweise der erste Generatorsatz eine Nennkapazität von 100 kW hat, und der zweite Generatorsatz eine Kapazität von 50 kW hat und die elektrische Last 100 kW ist, wird das Verfahren mit symmetrischer Lastaufteilung den ersten Generatorsatz anweisen, zwei Drittel der Last oder 66,6 kW zu erzeugen, und es wird den zweiten Generatorsatz anleiten, ein Drittel oder 33,3 kW zu erzeugen. Entsprechend stellt die symmetrische Lastaufteilung sicher, dass jeder Generatorsatz mit einem gleichen proportionalen Anteil seiner elektrischen Nennkapazität betrieben wird und dem gleichen Niveau an Abnutzung und Verschleiß unterworfen ist.
Während symmetrische Lastaufteilung gleichmäßig den unterschiedlichen elektrischen Kapazitäten der Vielzahl von Generatorsätzen 120 des elektrischen Antriebssystems 100 Rechnung trägt, kann es nicht Unterschieden zwischen den Primärantrieben 122 der einzelnen Generatorsätze Rechnung tragen. Wenn beispielsweise der Primärantrieb 122 ein Verbrennungsmotor ist, kann jeder Primärantrieb gemäß einer assoziierten Drehmoment-Brennstoff-Kurve arbeiten, welche die vom Motor erzeugte Antriebskraft bezüglich des Brennstoffverbrauchs des Motors bestimmt. Die Drehmoment-Brennstoff-Kurve kann bestimmen oder anzeigen, wo der Primärantrieb am effizientesten und gemäß einer besten Brennstoffausnutzung arbeitet. Der Effizienzpunkt des Primärantriebs 122 entspricht möglicherweise nicht der elektrischen Ausgabe, die von einem speziellen Generatorsatz 120 durch die Strategie mit symmetrischer Lastaufteilung gefordert wird. Anders gesagt, der Teil der elektrischen Last, der den Generatorsätzen zugeordnet wird, kann bewirken, dass die Primärantriebe ineffizient arbeiten.
Um die Effizienz der Primärantriebe 122 zu berücksichtigen, kann das elektrische Leistungssystem 100 gemäß einem Verfahren mit asymmetrischer Lastaufteilung bzw. Lastverteilung geregelt werden, bei dem jeder Generatorsatz 120 auf einer anderen Grundlage betrieben wird, als dass er so betrieben wird, dass er genau seinen proportionalen Anteil der elektrischen Last 134 ausgibt. Beispielsweise kann der Anteil der elektrischen Last, der jedem Generatorsatz zugeordnet wird, teilweise auf der Brennstoffausnutzung des Primärantriebs basieren. Zusätzlich zu Überlegungen bezüglich der Brennstoffeffizienz kann das Lastaufteilungsverfahren die Emissionen berücksichtigen, die von dem Primärantrieb durch den Brennstoffverbrennungsprozess erzeugt werden. Um den Anteil der elektrischen Last 134 zu bestimmen, den jeder der einzelnen Generatorsätze 120 liefern soll, kann das elektrische System 100 die Effizienzüberlegungen oder ähnliche Überlegungen durch die MEO-Steuervorrichtung 140 verarbeiten.
Mit Bezug auf 2 ist dort eine schematische Darstellung einer möglichen Steuerstrategie 200 veranschaulicht, die von der MEO-Steuervorrichtung 140 und der Blindleistungssteuervorrichtung 142 ausgeführt werden kann, welche zusammenarbeiten, um das Verfahren mit asymmetrischer Lastaufteilung auszuführen. Das elektrische Leistungssystem, welches mit dem in 2 gezeigten Verfahren assoziiert ist, kann beispielsweise einen ersten Generatorsatz und einen zweiten Generatorsatz aufweisen, jedoch kann es in anderen Ausführungsbeispielen irgendeine geeignete Anzahl von Generatorsätzen aufweisen. Die Schritte der hier beschriebenen Steuerstrategie 200 können als maschinenlesbare und ausführbare Software-Instruktionen, Software-Code oder ausführbare Computerprogramme verkörpert sein. Die Software-Instruktionen können weiter in einer oder mehreren Routinen, Unterroutinen oder Modulen verkörpert sein, und können verschiedene Hilfsbibliotheken und Eingabe/Ausgabe-Funktionen verwenden, um mit anderen Einrichtungen zu kommunizieren. Die Steuerstrategie kann auch mit einer Bedienerschnittstelle assoziiert sein, durch welche die Strategie mit einem Bediener des Wasserfahrzeugs in Wechselwirkung treten kann.
In dem ersten Optimierungsschritt 202, der von der MEO-Steuervorrichtung 140 ausgeführt wird, wird eine Wirkleistungsanforderung 204, welche die elektrische Anfrage bzw. Anforderung an das elektrische Leistungssystem ist, die von der elektrischen Last ausgeführt wird, und zwar gemessen in Kilowatt, in die MEO-Steuervorrichtung eingegeben. Zusätzlich zu der Wirkleistungsanforderung 204 werden auch Informationen oder Daten bezüglich des Brennstoffwirkungsgrades bzw. der Brennstoffeffizienz und/oder Überlegungen bezüglich Emissionen, als PM-Daten 206 bezeichnet, die mit den Primärantrieben assoziiert sind, von der MEO-Steuervorrichtung 140 aufgenommen. Andere Informationen bezüglich der Primärantriebe, wie beispielsweise ein erster Nennleistungsfaktor PF₁ 208, der mit dem ersten Generatorsatz assoziiert ist, und ein zweiter Nennleistungsfaktor PF₂ 209, der mit dem zweiten Generatorsatz assoziiert ist, werden auch in die MEO-Steuervorrichtung 140 eingegeben. Der Nennleistungsfaktor oder PF ist das Nennverhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung, die mit einer elektrischen Vorrichtung assoziiert ist, wie beispielsweise den Generatorsätzen, und trägt somit dem Blindleistungsanteil der Last Rechnung. Der Leistungsfaktor stellt die Kapazität für tatsächliche Arbeit bzw. Wirkarbeit aufgrund der Umwandlung von Wirkleistung in Arbeit im Vergleich zu Leistung dar, die aufgrund der reaktiven Effekte bzw. Blindleistungseffekte verloren geht, die in der Schaltung vorhanden sind. Darüber hinaus können die Nennleistungsfaktoren für jeden der Generatorsätze unterschiedlich sein, und zwar aufgrund von unterschiedlichen Auslegungsfaktoren oder Eigenschaften.
Die MEO-Steuervorrichtung 140 verwendet diese Werte und möglicherweise andere Parameter, um den Anteil der elektrischen Last zu berechnen, für dessen Lieferung der erste Generatorsatz und der zweite Generatorsatz verantwortlich sind. Insbesondere bestimmt der erste Optimierungsschritt 202, der von der MEO-Steuervorrichtung 140 ausgeführt wird, eine erste Wirkleistungsanforderung 210 für den ersten Generatorsatz und eine zweite Wirkleistungsanforderung 212 für den zweiten Generatorsatz. Die ersten und zweiten Wirkleistungsanforderungen KW₁ 210, KW₂ 212 können in Watt oder Kilowatt (KW) gemessen werden und sind somit in 2 als KW₁ für die erste Leistungsanforderung und KW₂ für die zweite Leistungsanforderung dargestellt. Die Werte der ersten Wirkleistungsanforderung KW₁ 210 und der zweiten Wirkleistungsanforderung KW₂ 212 können sich addieren, so dass sie gleich der gesamten Wirkleistungsanforderung 204 der elektrischen Last sind. Weil die MEO-Steuervorrichtung 140 die PM-Daten 206, die mit den Primärantrieben in Beziehung stehen, empfangen hat und als Teil ihrer Berechnungen verwendet hat, können die erste Wirkleistungsanforderung KW₁ 210 und die zweite Wirkleistungsanforderung KW₂ 212 für den Betrieb der Primärantriebe, die mit den jeweiligen ersten und zweiten Generatorsätzen assoziiert sind, optimal oder nahezu optimal sein. Es sei jedoch bemerkt, dass ”optimiert”, ”optimal” usw. relative Ausdrücke sind und nicht als absolut angesehen werden sollten oder als andere als solche, wie hier beschriebene Überlegungen, ansprechend angesehen werden sollten.
Obwohl die MEO-Steuervorrichtung 140 die ersten und zweiten Wirkleistungsanforderungen KW₁, KW₂ 210, 212 bestimmen kann, die innerhalb der Nennkapazitäten der jeweiligen ersten und zweiten Generatorsätze sind, kann sie nicht leicht die Blindleistungskomponente oder Scheinleistungskomponente der elektrischen Last 134 berücksichtigen. Um den Blindleistungsteil zu berücksichtigen, manipuliert die Blindleistungssteuervorrichtung 142 weiter die erste Wirkleistungsanforderung KW₁ 210 und die zweite Wirkleistungsanforderung KW₂ 212, um die reaktiven Leistungsanforderungen über die Vielzahl von Generatorsätzen zuzuordnen. Insbesondere führt die Blindleistungssteuervorrichtung 142 einen zweiten Berechnungsschritt 220 aus, indem die Scheinleistung, die jeder Generatorsatz erzeugen soll, anfänglich bestimmt wird, wobei die Scheinleistung die Kombination von Wirk- und Blindleistung ist.
In dem veranschaulichten Verfahren wird eine erste berechnete Scheinleistungsanforderung Cal_KVA₁ 222 für den ersten Generatorsatz basierend auf der ersten Wirkleistungsanforderung KW₁ 210 und dem ersten den Nennleistungsfaktor 208 berechnet. Genauso wird eine zweite berechnete Scheinleistungsanforderung Cal_KVA₂ 224 für den zweiten Generatorsatz basierend auf der zweiten Wirkleistungsanforderung KVA₂ 212 und dem zweiten Nennleistungsfaktor 209 berechnet. Als Konvention kann die Scheinleistung in Voltampere (VA) bemessen sein. Um die ersten und zweiten berechneten Scheinleistungsanforderungen Cal_KVA₁ 222 und Cal_KVA₂ 224 zu berechnen, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 die folgenden Gleichungen verwenden: Cal_KVA₁ = KW₁/PF₁ Gleichung 1 Cal_KVA₂ = KW₂ /PF₂ Gleichung 2
Somit basiert die berechnete Scheinleistung pro Generatorsatz teilweise auf den Nennleistungsfaktoren, die mit jedem der Generatorsätze assoziiert sind. Die Nennleistungsfaktoren werden daher Teil der Methode zum Zuordnen der elektrischen Leistung unter der Vielzahl von Generatorsätzen.
Zusätzlich zur Bestimmung der ersten und zweiten berechneten Scheinleistungsanforderungen Cal_KVA₁ 222 und Cal_KVA₂ 224 kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 im zweiten Berechnungsschritt 220 auch den Wert des Blindleistungsteils bestimmen, der die Scheinleistungsberechnung bildet. Als Konvention kann die Blindleistung in Blindwatt bzw. Voltampere reaktiv oder var gemessen werden. Für das veranschaulichte Ausführungsbeispiel weist dies auf, eine erste berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₁ 226 zu bestimmen, die mit dem ersten Generatorsatz assoziiert ist, und eine zweite berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₂ 228, die mit dem zweiten Generatorsatz assoziiert ist. Um die ersten und zweiten berechneten Blindleistungsanforderungen zu berechnen, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 die folgenden Gleichungen verwenden: Cal_Kvar₁ = sqrt(Cal_KVA₁ ² – KW₁ ²) Gleichung 3 Cal_Kvar₂ = sqrt(Cal_KVA₂ ² – KW₂ ²) Gleichung 4
Die Gleichungen 3 und 4 berechnen den Blindleistungsanteil für die einzelnen Generatorsätze, und die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar_total 230, die mit dem elektrischen Leistungssystem insgesamt assoziiert ist, kann durch Aufsummieren der einzelnen Blindleistungskomponenten gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: Cal_Kvar_total = Cal_Kvar₁ + Cal_Kvar₂ Gleichung 5
Es ist erkennbar, dass die erste berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₁ 226, die zweite berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₂ 228 und die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar_total 230 theoretischer Natur sind und teilweise auf dem Nennleistungsfaktor der einzelnen Generatorsätze basieren. Wie unten beschrieben, kann die Steuerstrategie zusätzliche Schritte ausführen, um sicherzustellen, dass die theoretischen Berechnungen in Übereinstimmung mit tatsächlichen Anforderungen der elektrischen Last sind.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar_total 230 gegen eine Blindleistungsnenngröße für das elektrische Leistungssystem in einem dritten Überprüfungsschritt 240 überprüfen, um sicherzustellen, dass die Strategie mit asymmetrischer Lastaufteilung mit den Nennwerten für das System übereinstimmt. In dem dritten Überprüfungsschritt 240 wird die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar_total 230 mit der gesamten Nenn-Blindleistungsgrenze Rated_Kvar_total 242 verglichen, die mit dem elektrischen Leistungssystem einschließlich der Vielzahl von Generatorsätzen assoziiert ist, und zwar gemäß der folgenden Gleichung: Cal_Kvar_total > Rated_Kvar_total Gleichung 6
Wenn die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar_total 230 die gesamte Nenn-Blindleistungsgrenze Rated_Cal_Kvar_total 242 überschreitet, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 die Strategie mit asymmetrischer Lastaufteilung beenden und kann zur üblichen Strategie 224 mit symmetrischer Lastaufteilung zurückkehren, um eine Beschädigung des elektrischen Leistungssystems zu vermeiden. Wenn die gesamte Nenn-Blindleistungsgrenze Rated_Cal_Kvar_total 242 nicht überschritten wird, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 mit der asymmetrischen Lastaufteilung der Vielzahl von Generatorsätzen fortfahren.
Während der zweite Berechnungsschritt 220, der durch die Blindleistungssteuervorrichtung 142 ausgeführt wird, die theoretischen Blindleistungsanforderungen berechnet, die den einzelnen Generatorsätzen zugewiesen werden sollen, kann die Blindleistungssteuervorrichtung die berechneten Werte mit den tatsächlichen Anfragen bzw. Anforderungen ausrichten, die von der elektrischen Last gemacht werden. Beispielsweise kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 einen vierten Bestimmungsschritt 250 ausführen, um eine gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 zu bestimmen, welche die Differenz zwischen der tatsächlichen Blindleistungsanforderung Req_Kvar_actual 254, wie von der elektrischen Last gemessen, und der gesamten berechneten Blindleistungsanforderung Cal_Kvar_total 230 darstellt. Die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 spricht jegliche quantitativen Unterschiede zwischen der theoretischen Anzahl, die für die erste berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₁ 226, die zweite berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₂ 228, und die elektrische Last erhalten wurde, an. Die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 kann auch in var gemessen werden und kann entweder eine positive oder negative Zahl sein. Um die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 zu berechnen, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 die folgende Gleichung verwenden. ΔKvar_total = Kvar_actual – Cal_Kvar_total Gleichung 7
Um Kvar_actual zu bestimmen, werden die Wirkleistung und die Scheinleistung bei jedem Generatorsatz der Vielzahl gemessen. Die Wirkleistung und die Scheinleistung können verwendet werden, um eine tatsächliche Blindleistung pro Generatorsatz zu bestimmen, beispielsweise Kvar_actual-1 256, Kvar_actual-2 257 usw., und zwar für jeden Generatorsatz der Vielzahl, beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen 3 und 4. Die gesamte tatsächliche Blindleistung Kvar_actual 258 für die Vielzahl von Generatorsätzen kann durch Summieren der einzelnen tatsächlichen Blindleistungen bestimmt werden, wie angezeigt.
Die Blindleistungssteuervorrichtung 142 kann die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 verwenden, um eine letztendliche Blindleistungsanforderung zu bestimmen, die für jeden der Generatorsätze zugewiesen werden kann, um ihre Ausgabe zu regeln. Beispielsweise kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 einen fünften Überprüfungsschritt 260 ausführen, um zu überprüfen, ob die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 null ist, was anzeigt, dass es keine quantitative Differenz zwischen den theoretischen Blind leistungskomponenten, die durch die Blindleistungssteuervorrichtung 142 berechnet wurden, und dem tatsächlichen Blindleistungsteil gibt, der von der elektrischen Last angefordert wird. Die Blindleistungssteuervorrichtung 142 kann daher in einem Letztendliche-Blindleistungsanforderung-Einstellen-Schritt 262 die letztendliche Blindleistungsanfange pro Generatorsatz einstellen, insbesondere eine erste letztendliche Blindleistungsanforderung Final_Kvar₁ 264 und eine zweite letztendlichen Blindleistungsanforderung Final_Kvar₂ 266, und zwar gleich den jeweiligen ersten berechneten Blindleistungsanforderungen Cal_Kvar₁ 226 und der zweiten berechneten Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₂ 228 gemäß den folgenden Gleichungen: Final_Kvar₁ = Cal_Kvar₁ Gleichung 8 Final_Kvar₂ = Cal_Kvar₂ Gleichung 9
Wenn jedoch die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 eine Zahl ungleich Null ist, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 zusätzliche Schritte ausführen, um die Blindleistung unter der Vielzahl von Generatorsätzen aufzuteilen bzw. diesen zuzuweisen. Beispielsweise kann ein sechster Bestimmungsschritt 270 ausgeführt werden, indem eine erste Blindleistungsversetzung ΔKvar₁ 272, die mit dem ersten Generatorsatz assoziiert ist, und eine zweite Blindleistungsversetzung ΔKvar₂ 274, die mit dem zweiten Generatorsatz assoziiert ist, bestimmt werden, um die gesamte Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 unter den einzelnen Generatorsätzen zuzuordnen. Der sechste Bestimmungsschritt 270 kann die erste berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₁ 226, und die zweite berechnete Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₂ 228 verwenden. Die Blindleistungssteuervorrichtung 142 kann diese Werte gemäß den folgenden Gleichungen verarbeiten: ΔKvar₁ = ΔKvar_total·(Cal_Kvar1/(Cal_Kvar₁ + Cal_Kvar₂)) Gleichung 10 ΔKvar₂ = ΔKvar_total·(Cal_Kvar₂/(Cal_Kvar₁ + Cal_Kvar₂)) Gleichung 11
Nach dem Zuordnen der gesamten Blindleistungsversetzung ΔKvar_total 252 unter der Vielzahl von Generatorsätzen kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 einen siebten Einstellungsschritt 280 ausführen, indem eine erste letztendliche Blindleistungsanforderung Final_Kvar₁ 282, und eine zweite letztendlichen Blindleistungsanforderung Final_Kvar₂ 284 berechnet werden, um die erste Blindleistungsversetzung ΔKvar₁ 272 und die zweite Blindleistungsversetzung ΔKvar₂ 274 aufzunehmen bzw. auszugleichen. Insbesondere kann der siebte Einstellungsschritt 280 die erste letztendliche Blindleistungsanforderung Final_Kvar₁ 282 auf den niedrigeren Wert von entweder der ersten berechneten Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₁ 226, plus der ersten Blindleistungsversetzung ΔKvar₁ 272, oder der ersten Nenn-blindleistung Rated_Kvar₁ 276 einstellen. Genauso kann die zweite letztendliche Blindleistungsanforderung Final_Kvar₂ 284 auf den geringeren Wert der zweiten berechneten Blindleistungsanforderung Cal_Kvar₂ 228 plus der zweiten Blindleistungsversetzung ΔKvar₂ 274 oder der zweiten Nenn-Blindleistung Rated_Kvar₂ 278 eingestellt werden. Durch Berücksichtigung der Nenn-Blindleistung, die mit den Generatorsätzen assoziiert ist, hilft der siebte Einstellungsschritt 280 dabei, sicherzustellen, dass eine elektrische Last nicht die einzelnen Generatorsätze überlastet. Dies kann gemäß den folgenden Gleichungen aufgeführt werden: Final_Kvar1 = min(Cal_Kvar₁ + ΔKvar₁, Rated_Kvar₁) Gleichung 12 Final_Kvar2 = min(Cal_Kvar₂ + ΔKvar₂, Rated_Kvar₂) Gleichung 13
Um die Scheinleistungsausgabe zu bestimmen, die jeder Generatorsatz erzeugen muss, um die Wirk- und Blindleistungsanforderungen der elektrischen Last zu erfüllen, kann die Blindleistungssteuervorrichtung 142 einen achten Bestimmungsschritt 290 ausführen. Der achte Bestimmungsschritt 290 berechnet eine erste letztendliche Scheinleistung Final_KVA₁ 292 und eine zweite letztendliche Scheinleistung Final_KVA₂ 294, die an die jeweiligen ersten und zweiten Generatorsätze ausgegeben wird. Die erste und zweite letztendliche Scheinleistung Final_KVA₁ 292 und Final_KVA₂ 294 können sowohl die Wirkleistungskomponente als auch die Blindleistungskomponente berücksichtigen, die von dem System angefordert wird. Um die erste und die zweite letztendliche Scheinleistung Final_KVA₁ 292 und Final_KVA₂ 294 zu bestimmen, kann der achte Bestimmungsschritt 290 die folgenden Gleichungen verwenden: Final_KVA1 = sqrt(KW1² + Final_Kvar1²) Gleichung 14 Final_KVA2 = sqrt(KW2² + Final_Kvar2²) Gleichung 15
Weiterhin kann die gesamte Scheinleistung, die tatsächlich von der Vielzahl von Generatorsätzen erzeugt wird, leicht durch Aufsummieren der Gesamtheit der letztendlichen Scheinleistungen pro Generatorsatz bestimmt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist anwendbar zum Zuweisen von elektrischen Lasten unter einer Vielzahl von Generatorsätzen, die elektrische Leistung für eine alleinstehende Last liefern, wie beispielsweise ein Wasserfahrzeug, welches, wenn es unterwegs ist, nicht mit einem Leistungsverteilungsnetz verbunden werden kann. Die Offenbarung kann auch bei Anwendungen mit Generatorsätzen verwendbar sein, die parallel zu einem von einem Versorger belieferten Netz arbeiten, die asymmetrisch betrieben werden. Mit Bezug auf 3 ist ein Flussdiagramm veranschaulicht, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Steuerstrategie 300 abbildet, welches verschiedene Aspekte der Offenbarung verkörpert. Die Steuerstrategie 300 ist konfiguriert, um die Wirkleistung 302 zu liefern, beispielsweise in Kilowatt gemessen, die von der elektrischen Last angefordert wird, welche mit dem Wasserfahrzeug oder einer anderen Anwendung assoziiert ist. Um zu bestimmen, wie die Last unter der Vielzahl von Generatorsätzen zu verteilen ist, kann die Steuerstrategie 300 verschiedene Informationen und Daten über jeden Generatorsatz berücksichtigen, beispielsweise den Nennleistungsfaktor pro Generatorsatz 304. Andere elektrische Informationen bezüglich der Generatorsätze können gemäß der Steuerstrategie 300 berücksichtigt werden, wie beispielsweise die Nennkapazität oder elektrische Ausgabegrenzen usw.
Zusätzlich zu den elektrischen Überlegungen und Einschränkungen bezüglich der Generatorsätze kann die Steuerstrategie 300 konfiguriert sein, um Brennstoffeffizienz, Emissionen und andere Überlegungen 306 zu berücksichtigen, die mit dem Primärantriebsteil der Generatorsätze assoziiert sind. Insbesondere kann dies durch eine asymmetrische Lastverteilungsanordnung gemacht werden, bei der die Überlegungen, die mit den Primärantrieben assoziiert sind, durch eine Optimierungssteuervorrichtung für mehrere Motoren angesprochen werden, welche einen Optimierungsschritt ausführt, der die angeforderte Wirkleistung 302 in Werte für die Wirkleistungsanforderung pro Generatorsatz 310 optimiert, die auch in Kilowatt vorliegen können. Zusätzlich zum Zuordnen des Wirkleistungsteils der Anforderung oder der Last kann die Steuerstrategie 300 die Blind- oder Scheinleistungsteile ansprechen, die durch das Vorsehen von reaktiven Elementen bzw. Blindleistungselementen oder Vorrichtungen in der Schaltung auftreten können, welche die elektrische Last bildet. Um die Blindleistungskomponenten zu berücksichtigen, kann die Steuerstrategie 300 eine berechnete Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz 312 zumindest teilweise basierend auf der optimierten Wirkleistungsanforderung pro Generatorsatz 310 und dem Nennleistungsfaktor pro Generatorsatz 304 bestimmen. Die gemessenen Einheiten für die berechnete Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz können in Voltampere reaktiv oder var sein.
Die Steuerstrategie 300 kann verschiedene Überprüfungen aufweisen, um sicherzustellen, dass die Strategie mit asymmetrischer Lastaufteilung adäquate Kapazität hat, um die Leistungsanforderung zu erfüllen oder sie wird anderenfalls vermeiden, das elektrische Leistungssystem zu beschädigen. Um ein Beispiel einer Überprüfung auszuführen, kann die Steuerstrategie 300 zuerst jede der einzelnen berechneten Blindleistungsanforderungen pro Generatorsatz aufsummieren, um die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung 320 über die Vielzahl von Generatorsätzen zu bestimmen. Die gesamte berechnete Blindleistungsanforderung 320 kann in einem Entscheidungsschritt 322 gegenüber der Nennleistung oder Nennkapazität für das elektrische Leistungssystem insgesamt überprüft werden. Wenn die insgesamt berechnete Blindleistungsanforderung 320 die Systemkapazität überschreitet, kann die Steuerstrategie 300 die Konfiguration mit asymmetrischer Lastaufteilung beenden und auf symmetrische Lastaufteilung 324 umschalten, welche in zufriedenstellender Weise die Blindleistung erfüllen kann.
Weil die berechnete gesamte Blindleistungsanforderung 320 ein theoretischer Wert ist, kann die Steuerstrategie 300 Schritte aufweisen, um den theoretischen Wert näher an die Wirklichkeit zu bringen. Beispielsweise kann die Steuerstrategie 300 eine gesamte Blindleistungsversetzung 330 bestimmen, die ein positiver oder negativer Wert sein kann und auf der Differenz zwischen der tatsächlichen Blindleistungsanforderung von der Last 332, die als ein zusätzlicher Datenpunkt erhalten werden kann, und einer gesamten berechneten Blindleistungsanforderung 320 basiert. Die gesamte Blindleistungsversetzung 330 sollte irgendwelche Diskrepanzen bezüglich der Blindleistungsgrößen, die durch die Strategie berechnet werden, gegenüber der tatsächlichen Anforderung durch das System widerspiegeln. Als nächstes kann die Steuerstrategie 300 eine letztendliche Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz bestimmen, die anweist, wie die Blindleistung unter der Vielzahl von Generatorsätzen zuzuweisen ist. Wenn beispielsweise die gesamte Blindleistungsversetzung 330 null ist, was die Steuerstrategie 300 durch eine Gesamtblindleistungsentscheidung 340 bestimmen kann, kann dies bedeuten, dass die berechneten Blindleistungsanforderungen pro Generatorsatz 312 im allgemeinen genau sind. Die Steuerstrategie 300 kann die letztendliche angeforderte Blindleistung gleich der berechneten angeforderten Blindleistung pro Generatorsatz in einem Einstellungsschritt 342 einstellen, was an die jeweiligen Generatorsätze kommuniziert wird, um ihren Betrieb zu regeln.
Wenn jedoch die gesamte Blindleistungsversetzung 330 einen Wert ungleich Null hat, kann die Steuerstrategie 300 die Größe unter der Vielzahl von Generatorsätzen zuordnen, um sicherzustellen, dass die Blindleistung in adäquater Weise berücksichtigt wird. Insbesondere bestimmt die Steuerstrategie 300 eine Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz 350, die beispielsweise auf der Nennkapazität der einzelnen Generatorsätze basiert. Die Steuerstrategie 300 bestimmt dann eine letztendliche Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz 352, welche auf der berechneten Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz 312 und der Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz 350 basieren kann. In anderen Ausführungsbeispielen kann die letztendliche Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz 352 auch auf anderen Charakteristiken des Generatorsatzes basieren oder diese in Betracht ziehen, wie beispielsweise die elektrische Nennkapazität oder ähnliches. In einem letztendlichen Verteilungsschritt 354 kann die Steuerstrategie die Werte der letztendlichen Blindleistung pro Generatorsatz an die jeweiligen Generatorsätze übermitteln, um ihren Betrieb anzuweisen.
Daher ist ein möglicher Vorteil der offenbarten Steuerstrategie, dass es einem abseits liegenden elektrischen System gestattet wird, eine Vielzahl von Generatorsätzen in asymmetrischer Weise zu betreiben, um Überlegungen bezüglich Effizienz oder Ähnlichem anzusprechen, die mit den Primärantrieben in Beziehung stehen, während auch die Blindleistungskomponenten behandelt werden, welche in der elektrischen Last entwickelt werden können. Es wird angenommen, dass die Offenbarung einen Betrieb von einer Vielzahl von unterschiedlichen Generatorsätzen näher gemäß den einzelnen Nennleistungsfaktoren und anderen Nennkapazitäten der Generatorsätze ermöglicht. Es sei bemerkt, dass zusätzlich zu Werten und Zahlen, die ausdrücklich so beschrieben werden, dass sie während der Schritte der Steuerstrategie in Betracht gezogen werden, andere Zahlen und Werte ebenfalls in Betracht gezogen werden können.
Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik liefert. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen können. Jegliche Bezugnahme auf die Offenbarung oder Beispiele davon soll sich auf das spezielle an diesem Punkt besprochene Beispiel beziehen, und diese Bezugnahmen sind nicht dafür vorgesehen, irgend eine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im allgemeinen mit sich zu bringen. Jegliche Erwähnung einer Ablehnung oder einer geringeren Bevorzugung bezüglich gewisser Merkmale soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden, soll jedoch solche Merkmale nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt wird.
Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner Reihenfolge ausgeführt werden, außer wenn dies hier anders angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.
Die Verwendung der Ausdrücke „ein”, sowie „der” und „zumindest ein” und ähnliche Ausdrücke in Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung (insbesondere in Zusammenhang mit den folgenden Ansprüchen) soll dahingehend verstanden werden, dass sowohl der Singular als auch der Plural abgedeckt sind, außer wenn dies hier in anderer Weise angezeigt wird oder dies klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird. Die Verwendung des Ausdrucks „zumindest ein” gefolgt von einer Liste von ein oder mehreren Dingen (beispielsweise „zumindest eines von A und B”) soll so verstanden werden, dass dies ein Element ausgewählt aus den aufgelisteten Elementen bedeutet (A oder B) oder jegliche Kombination von zwei oder mehreren der aufgelisteten Elemente (A und B), außer wenn dies hier in anderer Weise angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.
Folglich umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen und äquivalenten Ausführungen des in den beigefügten Ansprüchen beanspruchten Gegenstandes, wie dies vom anwendbaren Gesetz zugestanden wird. Darüber hinaus wird jegliche Kombination der oben beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon von der Offenbarung mit umfasst, außer wenn dies hier anders angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0152006 [0006]

Claims

Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100), welches Folgendes aufweist: einen ersten Generatorsatz (120) mit einem ersten Nennleistungsfaktor (208); einen zweiten Generatorsatz (120) mit einem zweiten Nennleistungsfaktor (209); einen gemeinsamen Bus (132) in elektrischer Verbindung mit dem ersten Generatorsatz (120) und dem zweiten Generatorsatz (120) in paralleler Anordnung, wobei der gemeinsame Bus (132) mit einer elektrischen Last (134) in Verbindung steht; eine Steuervorrichtung (140) zur Optimierung von mehreren Motoren, die konfiguriert ist, um zumindest eine erste Wirkleistungsanforderung (210), die mit dem ersten Generatorsatz (120) assoziiert ist, und eine zweite Wirkleistungsanforderung (212), die mit dem zweiten Generatorsatz (120) assoziiert ist, zu optimieren, und zwar basierend auf einer Wirkleistungsanforderung (204) von der elektrischen Last und einer Überlegung bezüglich eines Brennstoffverbrauchs und/oder Überlegungen bezüglich Emissionen; eine Blindleistungssteuervorrichtung (142) in elektrischer Verbindung mit der Steuervorrichtung (140) zur Optimierung von mehreren Motoren und mit dem ersten Generatorsatz (120) und mit dem zweiten Generatorsatz (120), wobei die Blindleistungssteuervorrichtung (142) konfiguriert ist zum: Berechnen einer ersten berechneten Blindleistungsanforderung (226), teilweise basierend auf dem ersten Nennleistungsfaktor (208), und einer zweiten berechneten Blindleistungsanforderung (228), teilweise basierend auf dem zweiten Nennleistungsfaktor (209; Bestimmen einer gesamten Blindleistungsversetzung (252), die mit zumindest sowohl dem ersten Generatorsatz (120) als auch dem zweiten Generatorsatz (120) assoziiert ist; und Zuordnen der gesamten Blindleistungsversetzung (252) zu zumindest dem ersten Generatorsatz (120) und dem zweiten Generatorsatz (120), um eine erste Blindleistungsversetzung (272), die mit dem ersten Generatorsatz (120) assoziiert ist, und eine zweite Blindleistungsversetzung (274), die mit dem zweiten Generatorsatz (120) assoziiert ist, vorzusehen.
Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Blindleistungssteuervorrichtung (142) weiter konfiguriert ist zum: Bestimmen einer ersten letztendlichen Scheinleistung (282), die mit dem ersten Generatorsatz (120) assoziiert ist, basierend auf der ersten Wirkleistungsanforderung (210) und der ersten Blindleistungsversetzung; und Bestimmen einer zweiten letztendlichen Scheinleistung (284), die mit dem zweiten Generatorsatz (120) assoziiert ist, basierend auf der zweiten Wirkleistungsanforderung (212) und der zweiten Blindleistungsversetzung (274).
Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die Blindleistungssteuervorrichtung (174) die gesamte Blindleistungsversetzung (252) basierend auf einer tatsächlichen Blindleistungsanforderung (254) von der elektrischen Last (134) und durch Summieren der ersten berechneten Blindleistungsanforderung (226) und der zweiten berechneten Blindleistungsanforderung (228) bestimmt.
Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der erste Generatorsatz (120) und der zweite Generatorsatz (120) zusammen eine gesamte Nennblindleistungsgrenze (242) haben, und wobei die Blindleistungssteuervorrichtung (142) weiter konfiguriert ist, um die gesamte Nennblindleistungsgrenze (242) zu vergleichen, indem die erste berechnete Blindleistungsanforderung (226) und die zweite berechnete Blindleistungsanforderung (228) summiert werden.
Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100) nach Anspruch 4, wobei die Blindleistungssteuervorrichtung (142) weiter konfiguriert ist, um eine symmetrische Lastverteilungsanordnung (244) einzusetzen, um den ersten Generatorsatz (120) und den zweiten Generatorsatz (120) zu betreiben, wenn die gesamte Nennblindleistungsgrenze (242) überschritten wird.
Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Blindleistungssteuervorrichtung (142) weiter konfiguriert ist, um die gesamte Blindleistungsversetzung (252) mit Null zu überprüfen bzw. zu vergleichen.
Elektrisches Leistungsverteilungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die elektrische Last (134) eine isoliert gelegene elektrische Last ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vielzahl von Generatorsätzen (120) in einer Anordnung mit asymmetrischer Lastaufteilung bezüglich einer elektrischen Last (134), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Empfangen einer Wirkleistungsanforderung (302) von der elektrischen Last (134); Berechnen einer Wirkleistungsanforderung pro Generatorsatz (314) für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen (120), basierend auf der Wirkleistungsanforderung (302) und/oder Überlegungen bezüglich des Brennstoffverbrauchs und/oder Überlegungen bezüglich Emissionen; Berechnen einer berechneten Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz (312) für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen (120), basierend auf der Wirkleistungsanforderung pro Generatorsatz (310) und dem Nennleistungsfaktor, der mit jedem der Vielzahl von Generatorsätzen (304) assoziiert ist; Bestimmen einer Gesamtblindleistungsversetzung (320), basierend auf der berechneten Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz (312) und einer tatsächlichen Blindleistungsanforderung von der elektrischen Last (134); Zuweisen der gesamten Blindleistungsversetzung (320) unter der Vielzahl von Generatorsätzen (120), um eine Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz (350) für jeden der Vielzahl von Generatorsätzen (120) vorzusehen; Bestimmen einer letztendlichen Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz (352) für die Vielzahl von Generatorsätzen (120) basierend auf der Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz (350) und der berechneten Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz (312); und Betreiben jedes der Vielzahl von Generatorsätzen (120) gemäß der jeweiligen letztendlichen Blindleistungsanforderung pro Generatorsatz (352).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Zuweisens der gesamten Blindleistungsversetzung (330) zum Vorsehen der Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz (350) teilweise auf dem Nennleistungsfaktor basiert, der mit jedem der Vielzahl von Generatorsätzen (304) assoziiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–9, welches weiter aufweist, eine gesamte berechnete Blindleistungsversetzung (340) durch Summieren der berechneten Blindleistungsversetzung pro Generatorsatz (312) für die Vielzahl von Generatorsätzen (120) zu bestimmen.