DE102016112288A1

DE102016112288A1 - Lastverteilung für unterschiedliche Generatorsätze

Info

Publication number: DE102016112288A1
Application number: DE102016112288.2A
Authority: DE
Inventors: Perry D. CONVERSE
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-01-12
Also published as: CN106340903A; US10503132B2; US20170012440A1; CN106340903B

Abstract

Ein elektrisches Leistungssystem (100) umfasst mehrere Generatorsätze (120), die unterschiedliche Ansprechverhalten aufweisen und an einen gemeinsamen Bus (134), der mit einer elektrischen Last (136) verbunden ist, angeschlossen sind. Die Generatorsätze (120) können ein oder mehrere betriebsmäßig verbundene elektronische Steuerungen (140) aufweisen. Jeder Generatorsatz (120) weist einen ihm zugewiesenen Betriebsbereich (204) und eine ihm zugewiesene Zielleistung (210) auf. Im Fall einer Leistungsbedarfsänderung der elektrischen Last (136) werden die Betriebsbereiche (204) und die Zielleistungen (210) in Abhängigkeit der Ansprechverhalten der jeweiligen Generatorsätze (120) geändert. Um die Änderung zu ermöglichen, kann der schneller reagierende Generatorsatz auf Basis verschiedener Verfahren zeitweise derart betrieben werden, dass eine zusätzliche Leistung erzeugt wird, die die unzureichende Leistung des langsameren Generatorsatzes kompensiert, während dieser sich an die geänderten Einstellungen anpasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein mehrere Generatorsätze, die gemeinsam dazu ausgebildet sind, elektrische Leistung für eine elektrische Last zu erzeugen, und insbesondere ein Verfahren und eine Strategie, elektrische Laständerungen auf die mehreren Generatorsätze zu verteilen.
Hintergrund
Eine Möglichkeit, elektrische Leistung in Form von Wechselstrom zu erzeugen, die einer elektrischen Last zur Verfügung gestellt wird, besteht in der Verwendung eines Generatorsatzes. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Anschluss zu einem größeren von einem Stromversorger bereitgestellten elektrischen Leistungsnetz nicht ohne weiteres verfügbar ist (d.h. wenn eine elektrische Last “netzunabhängig“ ist). Ein Generatorsatz weist eine Kombination aus einer Antriebsmaschine und einem elektrischen Generator oder Wandler auf. Die Antriebsmaschine kann ein mechanischer Motor wie beispielsweise eine Brennkraftmaschine (beispielsweise eine Dieselbrennkraftmaschine) oder eine Gasturbine sein, in denen ein kohlenwasserstoffbasierter Kraftstoff und Luft verbrannt werden, um die darin enthaltene chemische Energie freizusetzen und diese Energie in eine mechanische Kraft oder eine Antriebskraft umzusetzen. Die Antriebskraft wird wiederum dazu verwendet, einen Rotor relativ zu einem Stator des Generators zu drehen, sodass ein Magenetfeld, das durch eine der beiden Komponenten erzeugt wird, einen Strom in den Feldwicklungen der anderen Komponente induziert. Die erzeugte Elektrizität wird dann dazu verwendet, elektrische Bauteile, das heißt die mit dem Generator über ein elektrisches Netzwerk oder über einen Schaltkreis verbundene elektrische Last anzutreiben.
Der Generator kann die elektrische Leistung als Wechselstrom, die in Watt oder Kilowatt gemessen wird, ausgeben, wobei die erzeugte Leistung durch das Produkt aus dem Strom, der durch den elektrischen Generator erzeugt wird, und dem Potential bzw. der Spannung des Generatorssatzes ermittelt wird. Wenn möglich, wird der Generatorsatz unterhalb seiner angegebenen Leistungsfähigkeit (Nennleistung) betrieben, um keinen unnötigen Kraftstoff zu verschwenden. Es kann jedoch sein, dass die geforderte Leistung größer ist als die von einem einzelnen Generatorsatz zur Verfügung gestellte Leistung. In diesen Fällen können mehrere Generatorsätze gemeinsam in einer parallelen Anordnung betrieben werden, um gemeinsam die geforderte Leistung zur Verfügung zu stellen. In Anordnungen mit mehreren Generatorsätzen insbesondere dann, wenn die Generatorsätze von einem größeren elektrischen Netz, das deren Betrieb bestimmt, isoliert sind, ist es notwendig, die elektrische Last zwischen den mehreren Generatorsätzen zu verteilen und den Betrieb der Generatorsätze zu synchronisieren, sodass deren Drehzahl und Frequenz mit der Frequenz der elektrischen Last übereinstimmt. Eine Möglichkeit, die elektrische Last über mehrere Generatorsätze zu verteilen, ist eine symmetrische Lastverteilung, bei der die Last proportional zu den vorhandenen Leistungsfähigkeiten (Nennleistungen) und Ausgangsleistungen der Generatorsätze verteilt wird. In diesem Fall werden alle Generatorsätze bei dem gleichen Anteil ihrer individuellen, relativen Leistungsfähigkeiten betrieben und sollten theoretisch das gleiche Maß an Verschleiß und Belastung erfahren, obwohl manche der Generatorsätze eine größere absolute Ausgangsleistung erzeugen als andere Generatorsätze.
Während eine symmetrische Lastverteilung bei der Lastverteilung und Synchronisation elektrischen Charakteristiken (Kennlinien) der Generatorsätze berücksichtigt, kann dieses Verfahren unter Umständen keine Effizienzbetrachtung oder andere mit der Antriebsmaschine des Generatorsatzes verbundene Probleme berücksichtigen. Beispielsweise kann die Antriebsmaschine, so zum Beispiel eine Brennkraftmaschine, bei einer optimalen Kraftstoffeffizienz, die von einer Drehmoment-Kraftstoff-Kennlinie ermittelt wird, die nicht mit der von der symmetrischen Lastverteilungsanrodnung angeforderten Ausgangsleistung des Generatorsatzes korreliert, betrieben werden. Andere Probleme, die unter Umständen nicht berücksichtigt werden, sind Emissionen der Antriebsmaschine. Um derartige mit der Antriebsmaschine verbundene Probleme zu berücksichtigen, gibt es eine weitere Möglichkeit, die Leistungsanforderungen unter mehreren Generatorsätzen zu verteilen, nämlich die asymmetrische Lastverteilung. Ein Beispiel für eine asymmetrische Lastverteilung ist in der US 2014/0152006 beschrieben, bei der ein Datensatz mit Kraftstoffeffizienz-Daten aufgerufen wird, wenn ein Leistungsbedarf zwischen Generatorsätzen verteilt werden soll. Bei einer asymmetrischen Lastverteilung ist es möglich, den Generatorsatz nicht direkt proportional sondern zu einem gewissen Maß unabhängig von anderen Generatorsätzen zu betreiben.
Sowohl bei dem symmetrischen wie auch bei dem asymmetrischen Lastverteilungsverfahren, ist es notwendig, Fluktuationen oder Änderungen in der Leistungsanforderung der elektrischen Last, die beim Einschalten oder Ausschalten von Vorrichtungen ansteigen bzw. sinken kann, auf die Generatorsätze zu verteilen. Die Leistungsbedarfsänderungen können schnell und dynamisch erfolgen. Eine Berücksichtigung dieser Leistungsbedarfsänderungen wird dadurch verkompliziert, dass verschiedene Generatorsätze unterschiedliche Betriebsbedingungen (Betriebskennlinien), unterschiedliche Leistungserzeugungen (Nennleistungen) und unterschiedliche Größen aufweisen. Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, diese und andere Probleme zu beheben.
Zusammenfassung
Ein Aspekt der Offenbarung betrifft ein elektrisches Leistungssystem, das Leistung für eine elektrische Last bereitstellt. Das elektrische Leistungssystem kann einen gemeinsamen Bus, der mit einer elektrischen Last verbunden ist, einen mit dem gemeinsamen Bus verbundenen ersten Generatorsatz, der eine erste Leistungserzeugungsgrenze aufweist, und einen mit dem gemeinsamen Bus verbundenen zweiten Generatorsatz, der eine zweite Leistungserzeugungsgrenze aufweist, umfassen. Der erste Generatorsatz weist ein erstes Ansprechverhalten in Abhängigkeit von Änderungen der elektrischen Last auf und der zweite Generatorsatz weist ein zweites Ansprechverhalten in Abhängigkeit von Änderungen der elektrischen Last auf, wobei das zweite Ansprechverhalten langsamer als das erste Ansprechverhalten ist. Das elektrische Leistungssystem weist ferner eine elektrische Steuerung auf, die dazu ausgebildet ist, bei dem ersten Generatorsatz einen ersten Betriebsbereich und bei dem zweiten Generatorsatz einen zweiten Betriebsbereich in Abhängigkeit von Änderungen der elektrischen Last einzustellen. Die elektronische Steuerung ermittelt in Abhängigkeit von den Änderungen der elektrischen Last ferner eine erste Zielleistung innerhalb des ersten Betriebsbereichs und eine zweite Zielleistung innerhalb des zweiten Betriebsbereichs. The elektronische Steuerung kann dann die erste Zielleistung in Abhängigkeit von dem ersten Ansprechverhalten und die zweite Zielleistung in Abhängigkeit von dem zweiten Ansprechverhalten einstellen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mehrerer Generatorsätze. Zum Durchführen des Verfahrens sind ein erster Generatorsatz, der eine erste Leistungserzeugungsgrenze aufweist, und ein zweiter Generatorsatz, der eine zweite Leistungserzeugungsgrenze aufweist, mit einer elektrischen Last verbunden. Der erste Generatorsatz kann ein erstes Ansprechverhalten auf Änderungen der elektrischen Last aufweisen, wobei das erste Ansprechverhalten schneller als ein Ansprechverhalten des zweiten Generatorsatzes ist. Das Verfahren stellt einen ersten Betriebsbereich bei dem ersten Generatorsatz und eine erste Zielleistung innerhalb des ersten Betriebsbereichs ein. Das Verfahren stellt ferner einen zweiten Betriebsbereich bei dem zweiten Generatorsatz und eine zweite Zielleistung innerhalb des zweiten Betriebsbereichs ein. In Abhängigkeit einer Leistungsbedarfssteigerung durch die elektrische Last hebt das Verfahren den ersten Betriebsbereich innerhalb der ersten Leistungserzeugungsgrenze und den zweiten Betriebsbereich innerhalb der zweiten Leistungserzeugungsgrenze an. Nachdem die Betriebsbereiche angehoben wurden, stellt das Verfahren die erste Zielleistung in Abhängigkeit von dem ersten Ansprechverhalten und die zweite Zielleistung in Abhängigkeit von dem zweiten Ansprechverhalten ein.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein elektrisches Leistungssystem mit einem ersten Generatorsatz, der eine erste Leistungserzeugungsgrenze aufweist, und einem zweiten Generatorsatz, der eine zweite Leistungserzeugungsgrenze aufweist. Der erste und der zweite Generatorsatz sind dazu ausgebildet, innerhalb ihrer entsprechenden Leistungserzeugungsgrenzen zu arbeiten. Der erste und zweite Generatorsatz sind in einer Parallelanordnung mit einem gemeinsamen Bus verbunden, der wiederum mit einer elektrischen Last verbunden ist. Das elektrische Leistungssystem weist eine elektronische Steuerung auf, die mit dem ersten Generatorsatz und dem zweiten Generatorsatz in Verbindung steht, um einen Leistungsbedarf der elektrischen Last aufzuteilen. Der Leistungsbedarf wird dem ersten Generatorsatz als eine erste Zielleistung innerhalb eines ersten Betriebsbereichs und dem zweiten Generatorsatz als eine zweite Zielleistung innerhalb eines zweiten Betriebsbereichs zugewiesen. Die elektronische Steuerung ist dazu ausgebildet, den ersten Betriebsbereich und den zweiten Betriebsbereich im Falle eines Leistungsbedarfsanstiegs durch die elektrische Last anzuheben. Die elektronische Steuerung ist ferner dazu ausgebildet, die erste Zielleistung innerhalb der ersten Leistungserzeugungsgrenze anzuheben, während sie gleichzeitig versucht, eine zweite Zielleistung innerhalb des zweiten Betriebsbereichs anzuheben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Schiffes mit mehreren Generatorsätzen zum Erzeugen einer elektrischen Leistung für elektrische Verbraucher oder für eine Last des Schiffes, sowie verschiedenen elektronischen Steuerungen zum Steuern eines Betriebs des Generatorsatzes.
2 ist eine schematische Darstellung eines Generatorssatzes, der durch seine Leistungserzeugung repräsentiert wird, wobei die Leistungserzeugung einen Leistungsbetriebsbereich und eine Zielleistung innerhalb des Betriebsbereichs aufweist.
3 ist eine schematische Darstellung von mehreren Generatorsätzen, die durch ihrer jeweiligen Leistungserzeugungen repräsentiert werden, wobei die Leistungserzeugungen Betriebsbereiche und Zielleistungen aufweisen, die in Abhängigkeit von einer durch eine elektrische Last hervorgerufenen Leistungsbedarfsänderung gemäß einem asymmetrischen Lastverteilungsverfahren angepasst werden.
4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verteilen der elektrischen Last auf mehrere Generatorsätze, die unterschiedliche Verhalten aufweisen, wenn sich der Leistungsbedarf der elektrischen Last ändert.
5 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Verfahrens zum Verteilen der elektrischen Last auf mehrere Generatorsätze, wenn sich der Leistungsbedarf der elektrischen Last ändert.
6 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Verfahrens zum Verteilen der elektrischen Last auf mehrere Generatorsätze, wenn sich der Leistungsbedarf der elektrischen Last ändert.
7 ist ein Flussbild, das mögliche Steuerungsabläufe zum Steuern eines Betriebs der Generatorsätze darstellt, wenn sich der Leistungsbedarf der mit den Generatorsätzen verbundenen Last ändert.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung betrifft ein elektrisches Leistungssystem mit mehreren Generatorsätzen zum Erzeugen elektrischer Leistung, insbesondere Wechselstrom, und Verfahren und elektronische oder digitale Steuerungen zum Steuern eines gemeinsamen Betriebs der Generatorsätze. Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. In der 1 ist ein elektrisches Leistungssystem 100 gezeigt, das dazu ausgebildet sein kann, elektrische Leistung für eine isolierte elektrische Last wie beispielsweise die elektrische Versorgung eines Schiffes 102, beispielsweise eines Frachtschiffes oder eines gezeigten Containerschiffes, zu erzeugen. Insbesondere kann das elektrische Leistungssystem 100 eine elektrische Leistung für Antriebseinheiten 104 des Schiffes erzeugen, wobei diese mehrere Azimut-Schubdüsen (Azimut-Strahldüsen) aufweisen können. Azimut-Schubdüsen sind elektrisch angetriebene Einheiten, die am Rumpf des Schiffes unabhängig voneinander rotieren können und daher ein Ruder überflüssig machen. Die Azimut-Schubdüsen werden durch Strom angetrieben, der von dem elektrischen Leistungssystem 100 und nicht von einer Leistungseinheit wie einem Motor, einem Reaktor oder einem Boiler erzeugt wird. Neben den Antriebseinheiten 104 kann die elektrische Versorgung des Schiffes zudem motorisierte Kräne 106 zum Heben und Bewegen einer Fracht, Kommunikationsmittel 108 zum Kommunizieren mit der Küste und anderen Schiffen und Navigationsmittel 110 aufweisen, die auf der Brücke 112 des Schiffes angeordnet sein können, um eine Bewegung und einen Betrieb des Schiffes zu steuern. Diese Vorrichtungen und Komponenten stellen die elektrische Last des Schiffes 102 dar.
Es wird anerkannt werden, dass das Schiff 102 von einem größeren Stromnetz beispielsweise einem Stromnetz eines Energieversorgungsunternehmens isoliert ist und daher das unabhängige elektrische Leistungssystem 100 aufweist, um den elektrischen Strombedarf zu decken. Das unabhängige „netzferne“ elektrische Leistungssystem 100 kann auch als ein isoliertes System oder eine Insel bezeichnet werden. Andere Marineanwendungen, die das isolierte elektrische Leistungssystem 100 aufweisen können, sind neben dem gezeigten Frachtschiff militärische Schiffe, Passagierschiffe, Tanker oder dergleichen. Das hier beschriebene unabhängige elektrische Leistungssystem 100 kann nicht nur in Schiffen 102 verwendet werden sondern auch für öl- oder gasproduzierende Anwendungen, für temporäre Militärbasen oder für andere elektrische Anwendungen, bei denen elektrische Energie eines Stromnetzes, das von einem Energieversorger bereitgestellt wird, nicht verfügbar ist oder unterbrochen ist. Eine Eigenschaft des hierin beschriebenen elektrischen Leistungssystems 100 ist daher, dass es unabhängig von einem größeren elektrischen Netz, bei dem eine elektrische Leistung durch andere Leistungsquellen wie beispielsweise Kraftwerke, Nuklearreaktoren, hydroelektrische Dämme und dergleichen zur Verfügung gestellt wird, unabhängig ist.
Das elektrische Versorgungssystem 100 weist mehrere Generatorsätze 120 auf, die gemeinsam miteinander betrieben werden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Insbesondere weißt jeder Generatorsatz 120 eine Antriebsmaschine 122 beispielsweise eine Brennkraftmaschine und insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine auf und einen elektrischen Generator 124 oder Wandler, der mit der Antriebsmaschine verbunden ist. Die Antriebsmaschine 122 kann einen kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoff und Luft verbrennen, sodass eine mechanische Kraft oder eine Antriebsleistung, die ein Magnetfeld in dem elektrischen Generator 124 dreht, erzeugt wird, um die Antriebsleistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Das elektrische Leistungssystem 100 kann betriebsmäßig mit ein oder mehreren Kraftstofftanks 126 oder Reservoirs verbunden sein, um der Antriebsmaschine 122 Kraftstoff zum Verbrennen zur Verfügung zu stellen. Eine Regler 128 kann betriebsmäßig mit der Antriebsmaschine verbunden sein, um die Frequenz und Menge des zu verbrennenden Kraftstoffs und damit die Drehzahl und/oder das von der Antriebsmaschine 122 erzeugte Drehmoment zu steuern. Neben der Brennkraftmaschine kann die Antriebsmaschine 122 ferner Gasturbinen, Rotationsmotoren, Reaktoren, Dampfkessel oder dergleichen aufweisen. Die elektrische Leistungsfähigkeit des hierin beschriebenen Generatorsatzes 120 kann beliebig groß sein, wobei ein beispielhafter Generatorsatz mehrere Kilowatt und die Kombination mehrerer Generatorsätze mehrere 100 Kilowatt erzeugen können. Um den Betrieb der Antriebsmaschine 122 und der elektrischen Generatoren 124 der Generatorsätze 120 zu steuern, kann jeder Generatorsatz eine elektronische Generatorsatzsteuerung 120 aufweisen, die eine Rechenvorrichtung aufweisen kann, die dazu ausgebildet ist, typische Rechen- und Digitalisierungsverarbeitungsfunktionen durchzuführen.
Die von den elektrischen Generatoren 124 der Generatorsätze 120 erzeugte elektrische Leistung kann in Form eines Wechselstroms oder AC-Stroms zur Verfügung gestellt werden, bei dem sich im Gegensatz zum Gleichstrom oder DC-Strom die Spannung und der Stromfluss in ihrer Richtung periodisch ändern. Die Phasenänderung oder die Änderung der Richtung des Wechselstroms kann einen Strom und eine Spannung mit einer zyklischen Wellenform insbesondere eine Sinuswellenform erzeugen, bei der die Amplitude des Stroms und der Spannung periodisch und wiederholt von einem positiven Wert zu einem betragsmäßig gleichen negativen Wert und zurück zum positiven Wert variiert. Jeder Generatorsatz 120 ist daher als ein Generatorsatz gezeigt, der eine alternierende Stromwellenform 132 erzeugt. Die mehreren Generatorsätze 120 können elektrisch mit einem gemeinsamen Bus 134 oder einer Busleitung in einer Parallelanordnung verbunden sein, um den erzeugten elektrischen Strom zusammenzuschalten. In einer Parallelanordnung ist der Gesamtstrom, der von dem elektrischen Leistungssystem 100 erzeugt wird, die Summe der einzelnen von jedem der Generatorsätze 120 erzeugten Ströme. Wohingegen das Potenzial oder die Spannung der einzelnen Generatorsätze im Wesentlichen gleich ist. Der gemeinsame Bus 134 kann über ein Netzwerk oder einen Schaltkreis mit den elektrischen Abnehmern des Schiffes 102 elektrisch verbunden sein, wobei die elektrischen Abnehmer gemeinsam die elektrische Last 136 des Schiffs bilden. Die mehreren Generatorsätze, die gemeinsam betrieben werden und das elektrische Leistungssystem 100 bilden, dienen als Leistungsquelle für die elektrische Last 136 des Schiffes.
Da die mehreren Generatorsätze 120 mit dem gemeinsamen Bus 134 verbunden sind, ist es notwendig, ihren alternierende Ausgangsstrom zu synchronisieren, um die Frequenz, die Spannung und den Phasenwinkel der alternierende Wellenform 132 unter den jeweiligen Generatorsätzen anzupassen. Die Generatorsätze können betriebsmäßig in elektronischer Kommunikation mit ein oder mehreren elektronischen Steuerungen 140 stehen, die einen Betrieb des elektrischen Leistungssystems 100 steuern, um die Generatorsätze 120 untereinander zu synchronisieren. Die elektronischen Steuerungen 140 können einen Prozessor, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis bzw. Application Specific Integrated Circuit AISC oder andere entsprechende Schaltkreise zum Durchführen von logischen und digitalen Funktionen aufweisen und können ferner entsprechende Speicher oder vergleichbare Datenspeichermöglichkeiten aufweisen. Der Speicher kann Softwarebefehle, Computerprogramme und Daten in Form von Kennfeldern, Tabellen und Datensätzen speichern, die Parameter und Betriebsbedingungen der Komponenten des elektrischen Leistungssystems 100 aufweisen. Die elektronischen Steuerungen können einzelne, individuelle Einheiten sein oder ihre Funktionen können über mehrere einzelne Komponenten verteilt sein. Die elektronischen Steuerungen können untereinander und mit anderen Komponenten des elektrischen Leistungssystems 100 über digitale Signale, analoge Signale oder andere geeignete Mittel kommunizieren und gesteuert werden. Die elektronischen Steuerungen können untereinander über drahtgebundene Verbindungen oder drahtlose Verbindungen beispielsweise über Radiofrequenzen oder WiFi-Medien kommunizieren. Die Kommunikation kann ein Senden und Empfangen von Signalen, die gemessene Daten und Variablen, Richtungen, Steuerungen und Anfragen beinhalten, umfassen.
Obwohl die elektronischen Steuerungen 140 in manchen Ausführungsformen die Generatorsätze 120 nach einem symmetrischen Lastverteilungsverfahren betreiben, kann in anderen Ausführungsformen die vorliegende Offenbarung vorsehen, dass ein asymmetrisches Lastverteilungsverfahren angewandt wird, um Probleme, die mit den Antriebsmaschinen verbunden sind wie beispielsweise eine Kraftstoffeffizienz oder Emissionen, zu berücksichtigen. Eine Multi-Motor-Optimiere bzw. eine multi-engine optimizer (MEO-)Steuerung 142 kann innerhalb der mehreren Steuerungen 140 vorgesehen sein, um die asymmetrische Lastverteilung durchzuführen. Mit anderen Worten kann eine MEO-Steuerung 142 speziell dafür ausgebildet sein, die elektrische Last zwischen den Generatorsätzen zu synchronisieren und gleichzeitig die mit den Antriebsmaschinen verbundenen Probleme berücksichtigen, um das asymmetrische Lastverteilungsverfahren durchzuführen. Die MEO-Steuerung 142 kann von dem Speicher Informationen bezüglich der Kraftstoffeffizienz der Antriebsmaschinen 122, die zu den Antriebsmaschinen gehörenden Drehmoment-Kraftstoff-Kennlinien, Emissionsgrenzen des elektrischen Leistungssystems 100 und dergleichen empfangen or abfragen. Die MEO-Steuerung kann ferner diese Informationen zusammen mit dem insgesamten Leistungsbedarf, der von der elektrischen Last 136 gefordert wird, und mit elektrischen Eigenschaften oder Parametern der elektrischen Generatoren 124 wie beispielsweise einer angegebenen Leistungsfähigkeit, Leistungsfaktoren und Generatorsynchronisationsgrenzen weiterverarbeiten, um eine Lastverteilung pro Generatorsatz, die in Kilowatt gemessen werden kann, zu optimieren. Die MEO-Steuerung 142 kann die individuellen Generatorsatzsteuerungen 130 steuern, um den entsprechenden Generatorsatz 120 derart zu betreiben, dass ein entsprechender Anteil des insgesamten Leistungsbedarfs erzeugt wird.
Insbesondere kann die MEO-Steuerung entsprechend dem asymmetrischen Lastverteilungsverfahren jeden Generatorsatz derart betreiben, dass dieser eine Leistung unterhalb seiner Leistungsfähigkeit erzeugt, wobei die erzeugte Leistung nicht notwendigerweise proportional zur Ausgangsleistung der anderen Generatorsätze sein muss. Die 2 zeigt beispielsweise eine Darstellung eines beispielhaften Generatorsatzes 200 mit einer Leistungsfähigkeit (Leistungserzeugung) 202, die von einer Leistungsfähigkeitsgrenze (Leistungserzeugungsgrenze) 203, die in Kilowatt gemessen wird, begrenzt ist und der eine elektrische Leistung innerhalb dieser Leistungserzeugungsgrenze erzeugen kann. Die MEO-Steuerung kann dem Generatorsatz 200 einen Betriebsbereich 204 zuweisen, mit dem der Generatorsatz 200 betrieben wird, um seinen Anteil des insgesamt von der elektrischen Last geforderten Leistungsbedarfs bereitzustellen. Der Betriebsbereich 204 kann einen oberen Schwellenwert 206 und einen unteren Schwellenwert 208 aufweisen, die einen Betrieb des Generatorsatzes 200 in Abhängigkeit von den vorhandenen Betriebsbedingungen und in Abhängigkeit von einer Last darstellen. Der Betriebsbereich 204 kann in Abhängigkeit von den elektrischen Anforderungen des entsprechenden Generatorsatzes 200 wie beispielsweise Synchronisationsanforderungen und dergleichen abhängen. Um darüber hinaus die spezifische Ausgangsleistung, die der Generatorsatz 200 zur Verfügung stellen muss, zu ermitteln, kann die MEO-Steuerung eine Zielleistung 210 innerhalb des Betriebsbereichs 204 definieren. Die Zielleistung 210 kann der optimalen Ausgangsleistung des Generatorsatzes 200 innerhalb des Betriebsbereichs 204 entsprechen, die basierend auf Anforderungen der Antriebsmaschine wie einer Kraftstoffeffizienz oder Emissionen ermittelt wurde.
Beispielsweise kann die MEO-Steuerung für einen speziellen Generatorsatz 200 mit einer maximalen Leistungserzeugungsgrenze 203 von 5000 kW einen Betriebsbereich 204 von 600 kW mit einem oberen Schwellenwert 206 von 3800 kW und einem unteren Schwellenwert 208 von 3200 kW für die vorhandenen Betriebsbedingungen festlegen. Die MEO-Steuerung kann eine optimale Zielleistung 210 von 3500 kWh innerhalb des Betriebsbereichs 204 ermitteln und festlegen und den speziellen Generatorsatz 200 derart betreiben, dass dieser 3500 kW Leistung entsprechend der Zielleistung erzeugt. Die Zielleistung 210 von 3500 kW kann ferner einer idealen Kraftstoffeffizienz für den entsprechenden Generatorsatz 200 innerhalb des Betriebsbereichs 204 oder bei einer vergleichbaren Bedingung entsprechen.
Wie oben beschrieben, kann die von der elektrischen Last geforderte Leistung ändern (variieren), wenn beispielsweise elektrische Komponenten aus dem Netzwerk entfernt oder zu dem Netzwerk hinzugefügt werden. Im Fall einer Änderung der elektrischen Last kann die Zielleistung innerhalb des Betriebsbereichs 204 geändert werden, um der verändertern Last zu entsprechen. Bezogen auf die 2 kann die Zielleistung 210, die optimal bei 3500 kW eingestellt ist, beispielsweise zu einer neuen Zielleistung 212 verändert werden, um dem gestiegenen Bedarf, der in der gezeigten Ausführungsform dem oberen Schwellenwert 206 des Betriebsbereichs 204 oder 3800 kW entsprechen kann, Rechnung zu tragen. Obwohl die neue Zielleistung 212 möglichweise nicht die optimale Einstellung des Generatorsatzes 200 hinsichtlich Kraftstoffeffizienz oder dergleichen ist, kann diese Einstellung dennoch die Synchronisationsanforderungen oder elektrischen Rahmenbedingungen, die durch den Betriebsbereich 204 vorgegeben sind, erfüllen. Die Änderung des Leistungsbedarfs der elektrischen Last kann aber auch derart sein, dass die neue Zielleistung 212 den Betriebsbereich 204, der für die vorhandenen Bedingungen ermittelt wurde, überschreitet.
Um einen derart signifikanten Anstieg oder eine derart signifikante Änderung der Last zu berücksichtigen, kann das elektrische Leistungssystem 100 mit Bezug zur 1 ferner eine dynamische Laststeuerung 144 innerhalb der elektronischen Steuerungen 140 aufweisen. Die dynamische Laststeuerung 144 kann mit der MEO-Steuerung 142 und mit den individuellen Generatorsatzsteuerungen 130 kommunizieren. Obwohl die dynamische Laststeuerung 144 als eine separate Einheit gegenüber der MEO-Steuerung gezeigt ist, wird anerkannt werden, dass in anderen Ausführungsformen die dynamische Laststeuerung und die MEO-Steuerung in derselben Computervorrichtung und zusammen mit den anderen Steuerungen 140 im elektrischen Leistungssystem 100 vorgesehen sein können. Die dynamische Laststeuerung 144 kann Funktionen und Algorithmen durchführen und ausführen, um den dynamischen und variierenden Leistungsbedarf der elektrischen Last zu berücksichtigen. Beispielsweise kann mit Bezug zur 2 die dynamische Steuerung den anfänglichen Betriebsbereich 204 auf einen neuen Betriebsbereich 214 anheben, um den erhöhten Leistungsbedarf zu berücksichtigen. Der neue Betriebsbereich 214 kann rekalibriert werden, um eine Synchronisation und andere Voraussetzungen des Generatorsatzes, die mit dem Festlegen der neuen Zielleistung 212 einhergehen, zu berücksichtigen.
Die dynamische Steuerung kann gemäß einem Aspekt den neuen Betriebsbereich 214 vergrößern, um die dynamische Laständerung besser berücksichtigen zu können, sodass der neue Betriebsbereich einen oberen Schwellenwert 216 von 4900 kW und einen unteren Schwellenwert 218 von 3800 kW aufweisen kann. Der neue Betriebsbereich 214 kann daher dynamisch bzw. flexibel sein. Wenn die dynamische Bereichssteuerung den Betriebsbereich anhebt oder senkt, kann sie ebenfalls quantitativ die Größe des Bereichs anpassen. Der neue Betriebsbereich 214 kann auf den entsprechenden Generatorsatz 200 angewandt werden, sodass die neue Zielleistung 212, beispielsweise 4400 kW, innerhalb des Bereichs liegt. Die quantitativen Größenanpassungen können durch Experimente vorbestimmt sein und können den Betriebsbereich 204 vergrößern oder verringern, wenn der Betriebsbereich 204 innerhalb der Leistungsfähigkeit 202 des entsprechenden Generatorsatzes angehoben oder verringert wird. In anderen Ausführungsformen können die Betriebsbereiche statisch sein oder können die Betriebsbereiche feste Prozentsätze sein, die entsprechend dem gesteigerten oder verringerten Leistungsbedarf angehoben oder verringert werden. Es kann jedes andere geeignete Verfahren zum Bestimmen der Bereiche verwendet werden. Die neue Zielleistung 212 kann ferner optimiert werden, um der besten Kraftstoffeffizienz für den neuen Betriebsbereich 214 zu entsprechen.
Zusätzlich zur dynamischen Anpassung eines einzelnen Generatorsatzes kann die dynamische Laststeuerung zum dynamischen Anpassen mehrerer Generatorsätze ausgebildet sein, die gemeinsam parallel als Teil eines isolierten elektrischen Leistungssystems oder einer Insel betrieben werden. Beispielsweise sind mit Bezug zur 3 mehrere Generatorsätze mit einem ersten Generatorsatz 220, einem zweiten Generatorsatz 240, einem dritten Generatorsatz 260 und einem vierten Generatorsatz 280 gezeigt, die gemeinsam parallel bei einem ersten Zustand 298 und bei einem zweiten Zustand 299 betrieben werden. Die Generatorsätze können unterschiedliche physikalische Größen innerhalb der Anordnung haben und können daher unterschiedliche Leistungsfähigkeiten, die direkt mit ihrer Größe zusammenhängen, aufweisen. Beispielsweise kann der erste Generatorsatz 220 eine erste Leistungsfähigkeit 222 und der zweite Generatorsatz 240 eine zweite Leistungsfähigkeit 242 aufweisen, die gleich sind und bei einer ersten Leistungserzeugungsgrenze 223 und einer zweiten Leistungserzeugungsgrenze 243 von jeweils 5000 kW begrenzt sind. Der dritte Generatorsatz 260 und der vierte Generatorsatz 280 können physisch kleiner sein, d.h. eine kleinere Größe aufweisen, und daher eine dritte Leistungsfähigkeit 262 bzw. eine vierte Leistungsfähigkeit 282 aufweisen, die bei einer dritten Leistungserzeugungsgrenze 263 bzw. einer vierten Leistungserzeugungsgrenze 283 von jeweils 4000 kW begrenzt sind.
Zusätzlich zu den unterschiedlichen physischen Größen und Leistungserzeugungsgrenzen kann die dynamische Laststeuerung verschiedene Betriebsbereiche und verschiedene Zielleistungen für die mehreren Generatorsätze gemäß dem asymmetrischen Lastverteilungsverfahren vorsehen. Beispielsweise kann der erste Generatorsätze 220 bei einem ersten Betriebsbereich 224 zwischen 3200 kW und 3800 kW betrieben werden, wobei eine erste Zielleistung 230 von 3500 kW eingestellt ist, während der zweite Generatorsatz 240 bei einem zweiten Betriebsbereich 244 zwischen 3400 kW und 4400 kW mit einer zweiten Zielleistung 250 von 3900 kW betrieben wird, obwohl der erste und zweite Generatorsatz die gleichen physischen Größen und Leistungsfähigkeiten 222, 242 aufweisen. Die verschiedenen Betriebsbereiche können verschiedene Lastzuweisungen des durch die MEO-Steuerung durchgeführten asymmetrischen Lastverteilungsverfahrens in Abhängigkeit von Synchronisationbedingungen und/oder Effizienzvorgaben wiederspiegeln. Auf ähnliche Weise kann der dritte Generatorsatz 260 einen dritten Betriebsbereich 264 und eine dritte Zielleistung 270 aufweisen, die von dem vierten Betriebsbereich 284 und einer vierten Zielleistung 290, die zum vierten Generatorsatz 280 gehören, aufweisen, obwohl der dritte Generatorsatz 260 und der vierte Generatorsatz 280 vergleichbare Größen und Leistungsfähigkeiten 262, 282 aufweisen.
Wenn sich in einer Ausführungsform der Leistungsbedarf der elektrischen Last ändert, kann die dynamische Laststeuerung manche oder alle Generatorsätze in jeder geeigneten Kombination auf jede geeignete Ausgangsleistung anpassen, um eine optimale elektrische Leistung zu erzeugen. Wenn beispielsweise der Leistungsbedarf der elektrischen Leistung um 3000 kW steigt, muss die dynamische Laststeuerung die zusätzlichen 1900 kW unter den mehreren Generatorsätzen aufteilen. Die dynamische Laststeuerung wird daher nicht die vier Generatorsätze jeweils proportional um 475 kW erhöhen, sondern den ersten und dritten Generatorsatz 220, 260 anpassen, während der zweite und vierte Generatorsatz 240, 280 bei ihren ursprünglichen Bereichen und Einstellungen verbleiben. Insbesondere kann die dynamische Laststeuerung dem ersten Generatorsatz einen neuen Betriebsbereich 224 zwischen ungefähr 4900 kW und 3800 kW mit einer neuen Zielleistung 232 von 4400 kW zuweisen. Ferner kann der dritte Generatorsatz 260 bei einem neuen Betriebsbereich 264 zwischen 3400 kW und 3000 kW mit einer neuen angehobenen Zielleistung 274 von 2100 kW betrieben werden. Folglich werden die Ausgangsleistungen der Generatorsätze um 1900 kW erhöht, in dem lediglich der erste und zweite Generatorsatz 220, 260 angepasst werden, während die eingestellte zweite und vierte Zielleistung 250, 290 des zweiten und vierten Generatorsatzes 240, 280 bei ihren ursprünglichen Werten verbleiben.
Im obigen Beispiel weisen der erste und dritte Generatorsatz 220, 260 unterschiedliche Leistungsfähigkeiten 222, 262 aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Größen auf. Die physikalischen Unterschiede zwischen den Generatorsätzen können dazu führen, dass die Generatorsätze unterschiedliche Ansprechverhalten oder Reaktionen auf Änderungen, die durch die dynamische Laststeuerung vollzogen werden, aufweisen. Beispielsweise kann es für die Antriebsmaschine des Generatorsatzes mit einer größeren Leistungserzeugung länger dauern, sein Ausgangsdrehmoment aufgrund der mit den mechanischen Komponenten wie Kolben, Turbinen und dergleichen verbundenen Trägheit zu erhöhen, um die zugewiesene Erhöhung der Ausgangsleistung zu erfüllen. Auch kann eine größere Kraftstoffmenge benötigt werden, die der größeren Antriebsmaschine zugeführt wird, sodass dadurch die Ansprechzeit des leistungsfähigeren Generatorsatzes ansteigt. Alternativ könnten die mit den kleineren Generatorsätzen verbundenen Regler nicht ausreichend dimensioniert sein und so deren Antriebsmaschinen drosseln bzw. einschränken. Daher können die unterschiedlichen Generatorsätze unterschiedliche Ansprechverhalten aufweisen. Die Ansprechverhalten werden typischerweise in Form einer Zeitdauer gemessen, obwohl sie auch über andere passende Werte quantifiziert werden könnten.
Um die unterschiedlichen Ansprechverhalten der verschiedenen Generatorsätze zu berücksichtigen, kann die dynamische Lastregelung verschiedene Kontrollstrategien aufweisen, wenn sich der Leistungsbedarf der elektrischen Last ändert. Beispielsweise stellt die 4 schematisch einen ersten Generatorsatz 300 mit einem ersten Ansprechverhalten und einen zweiten Generatorsatz 320 mit einem zweiten Ansprechverhalten dar. Das erste Ansprechverhalten kann langsamer als das zweite Ansprechverhalten bzw. das zweite Ansprechverhalten kann schneller als das erste Ansprechverhalten sein. Die unterschiedlichen Ansprechverhalten können von Unterschieden zwischen der ersten Leistungserzeugung 302 des ersten Generatorsatzes 300 und der zweiten Leistungserzeugung 322 des zweiten Generatorsatzes 320 aufgrund ihrer relativen Größen herrühren. Der Unterschied (im Ansprechverhalten) kann nur wenige Sekunden betragen. Allerdings kann dies aufgrund der Drehzahl und Frequenz, bei der die Generatorsätze betrieben werden, signifikant sein. Bei einem zeitlichen Ausgangszustand, der durch das Bezugszeichen 340 dargestellt ist, kann die dynamische Laststeuerung einen Betriebsbereich 304 zwischen einem oberen Schwellenwert 306 von 3800 kW und einem unteren Schwellenwert 308 von 3200 kW beim ersten Generatorsatz 300 einstellen, während ursprünglich eine Zielleistung 310 von 3300 kW eingestellt ist. Zum gleichen Zeitpunkt 340 kann der zweite Generatorsatz 320 einen eingestellten Betriebsbereich 324 zwischen einem oberen Schwellenwert 326 und einem unteren Schwellenwert 328, die 1300 kW bzw. 900 kW entsprechen, aufweisen, wobei eine Zielleistung 330 von 1100 kW eingestellt ist. Die Unterschiede in den Leistungseinstellungen und Proportionalität spiegeln die unterschiedliche Lastzuweisungen der asymmetrischen Lastverteilungsanordnung basierend auf den dort verarbeiteten Bedingungen wieder.
Wenn der mit der elektrischen Last verknüpfte Leistungsbedarf um beispielsweise 2400 kW steigt, kann die dynamische Laststeuerung der Generatorsätze bestimmen, dass die Zielausgangsleistung des ersten und zweiten Generatorsatzes 300, 320 in einer nicht-proportionalen Weise beispielsweise um 1400 kW und 1000 kW ansteigt. Insbesondere kann der erste Betriebsbereich 304 des ersten Generatorsatzes 300 bei einem zeitlichen Endzustand 342 nach dem zeitlichen Ausgangszustand 340 derart angehoben werden, dass der obere Schwellenwert 306 4900 kW und der untere Schwellenwert 308 3800 kW entspricht. Die angehobene erste Zielleistung 312 kann auf 4700 kW innerhalb des ersten angehobenen Betriebsbereichs 304 eingestellt werden. Entsprechend kann die dynamische Laststeuerung den zweiten Betriebsbereich 324 des zweiten Generatorsatzes 320 anheben, sodass der obere Schwellenwert 326 3400 kW und der untere Schwellenwert 328 1500 kW entspricht. Der angehobene zweite Betriebsbereich 324 kann die angehobene zweite Zielleistung 332 aufweisen, die angehoben wurde, um die Ausgangsleistung des zweiten Generatorsatzes 320 zu erhöhen. Aufgrund des schnelleren Ansprechverhaltens des zweiten Generatorsatzes 320 kann ein Anheben des zweiten Betriebsbereichs 324 schneller erfolgen und kann bei einem zeitlichen Zwischenzustand 344 zwischen dem zeitlichen Ausgangszustand 43 und dem zeitlichen Endzustand 342 beendet sein. Die dynamische Laststeuerung kann die zeitlichen Unterschieden, die aufgrund des langsameren und schnelleren Ansprechverhaltens auftreten, durch unterschiedliche Verfahren berücksichtigen.
In einem ersten Verfahren kann die dynamische Laststeuerung mit Bezug zur 4 den zweiten Generatorsatz 320 bei dem angehobenen zweiten Betriebsbereich 324 und der neuen Einstellung für die angehobene zweite Zielleistung 332 ausgehend von dem zeitlichen Zwischenzustand 344 beibehalten, bis der erste Generatorsatz 300 bei dem zeitlichen Endzustand 342 vollständig auf die neuen Werte der Steuerung reagiert hat. Mit anderen Worten ist es möglich, dass der zweite Generatorsatz 320 auf den erhöhten zweiten Betriebsbereich 324 und die erhöhte zweite Zielleistung 332 aufgrund seines schnelleren Ansprechverhaltens reagieren kann. Der erste Generatorsatz 300 erreicht seinen angehobenen Betriebsbereich 304 und seine angehobene Zielleistung 312 innerhalb seines langsameren Ansprechverhaltens, was bedeutet, dass die Ausgangsleistung des ersten Generatorsatzes unter die des zweiten Generatorsatzes fällt. Da die Zielleistung des ersten Generatorsatzes 300 zum Zeitpunkt, bei dem der zweite Generatorsatz 320 seine erhöhte Zielleistung 332 vollständig erreicht hat, unterhalb seines neuen Wertes liegt, können die parallel arbeitenden Generatorsätze nicht ausreichend Leistung zur Verfügung stellen, die dem erhöhten Bedarf durch die elektrische Last gerecht wird.
Um diesen Lastunterschied zu beheben, kann die dynamische Laststeuerung 144 mit Bezug zur 1 die schnelleren Generatorsätze 120 während dieser Zeit in einem Statik-Modus (Droop-Modus) oder unter einer Statik-Bedingung (Droop-Bedingung) betreiben. Im Statik-Modus kann die Generatorsatzsteuerung 130, die zu dem schnelleren Generatorsatz gehört, einen Abfall in der Frequenz der elektrischen Ausgangsleistung erfassen, beispielsweise indem eine Frequenzeinstellung, die der Generatorsatz erreichen soll, angehoben wird. Die Frequenzeinstellung kann folglich größer sein als die eigentliche Frequenz, bei der der elektrische Generator 124 tatsächlich betrieben wird. Die Generatorsatzsteuerung 130 wird dies kompensieren, indem der zur Antriebsmaschine 122 gehörende Regler 128 eingeschaltet wird, um die Menge und/oder den Volumenstrom an hinzuzufügendem und zu verbrennendem Kraftstoff zu erhöhen, sodass die Drehzahl der Antriebsmaschine angehoben und damit die Frequenz des angeschlossenen elektrischen Generators 124 erhöht wird. Da die Frequenz des elektrischen Generators 124 jedoch mit der vorliegenden Frequenz des gemeinsamen Bus 134 synchronisiert ist bzw. wird, wird der Generator versuchen, der durch die Antriebsmaschine hervorgerufenen Drehzahlerhöhung trotz der durch den eingeschalteten Regler 128 zugeführtem größeren Kraftstoffmenge entgegenzuwirken. Die Verbrennung von zusätzlichen Kraftstoff erhöht daher das Auslassdrehmoment der Antriebsmaschine 122, sodass der elektrische Generator 124 eine zusätzliche Last aufnehmen kann. In dem gezeigten elektrischen Leistungssystem 100 kann die zusätzliche Last von einem langsamer reagierenden Generatorsatz, der mit dem gemeinsamen Bus 134 verbunden ist und der sich noch an den gestiegenen Leistungsbedarf durch die elektrische Last 136 anpasst, das heißt der langsamere erste Generatorsatz 300 der 4, übertragen bzw. abgeworfen werden. Der Statik-Modus ist daher eine Möglichkeit, vorübergehende Lastzuweisungen zwischen parallelen Generatorsätzen zu übertragen. Der Statik-Modus des zweiten Generatorsatzes 320 kann mit Bezug zur 4 bis zum zeitlichen Endzustand 342, bei der der erste Generatorsatz 300 den angehobenen ersten Betriebsbereich 304 und die angehobene erste Zielleistung 312 erreicht hat, andauern.
Um die unterschiedlichen Ansprechzeiten zu berücksichtigen, kann die dynamische Laststeuerung in einem zweiten Verfahren, das durch die 5 dargestellt ist, den schnelleren zweiten Generatorsatz 320 bei einer Zwischenbedingung betreiben, bei der er während des zeitlichen Zwischenzustands 344 eine zusätzliche Leistung gemessen in Kilowatt erzeugt. Insbesondere kann in dem Zwischenzustand der zweite Betriebsbereich 324 wie beschrieben angehoben werden, sodass der von der dynamischen Laststeuerung eingestellte obere Schwellenwert 326 3400 kW entspricht und der untere Schwellenwert 328 1500 kW entspricht. Die dynamische Laststeuerung kann die Zielleistung jedoch auch auf einen höheren oder größeren Wert einstellen als die angehobene zweite Zielleistung 332, die für eine optimale Leistungserzeugung eingestellt werden würde. Beispielsweise kann die neue zweite Zielleistung 350 dem oberen Schwellenwert 326 des zweiten Betriebsbereichs entsprechen, sodass die spezifische Ausgangsleistung des zweiten Generatorsatzes 320 während des zeitlichen Zwischenzustands 344 3400 kW entspricht.
Die zweite Zielleistung 350 mag nicht dem optimalen durch die MEO-Steuerung ermittelten Wert entsprechen, sodass die neue zweite Zielleistung nicht der besten Kraftstoffeffizienz des zweiten Generatorsatzes entspricht und der zweite Generatorsatz daher zusätzliche Emissionen ausstößt. Aber die neue zweite Zielleistung 350 kann eine ausreichend hohe Leistung produzieren, um die Minderleistung des ersten Generatorsatzes 300, während dieser versucht, seinen ersten Betriebsbereich 304 und seine erste Zielleistung 312 anzuheben, vorübergehend zu kompensieren. Um den zweiten Generatorsatz 320 zu seinem optimalen Betrieb zurückzubringen, kann die dynamische Laststeuerung die zweite Zielleistung 350 auf die angehobene zweite Zielleistung 332 verringern, nachdem der erste Generatorsatz 300 seinen ersten Betriebsbereich 304 und seine erste Zielleistung 312 beim zeitlichen Endzustand 342 vollständig angehoben hat. Der zweite Generatorsatz 320 kann bei verschiedenen Ausführungsformen während der Zwischenbedingung im Statik-Modus betrieben werden, um, wenn nötig, eine zusätzliche Lastverteilung zu ermöglichen.
In der 6 ist ein drittes Verfahren zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Ansprechverhalten während einer Leistungsbedarfsänderung dargestellt. Das dritte Verfahren weist ebenfalls eine Zwischenbedingung auf, in der der zweite Betriebsbereich 324 durch die dynamische Leistungssteuerung angehoben ist. Um eine zusätzliche Leistung während der Zeit, bei der der erste Generatorsatz 300 versucht, den ersten Betriebsbereich 304 und die erste Zielleistung 310 anzuheben, zu erzeugen, stellt die dynamische Laststeuerung eine neue zweite Zielleistung 352 ein, die außerhalb des angehobenen zweiten Betriebsbereichs 324 liegen kann. Beispielsweise kann die neue zweite Zielleistung 352 größer als der obere Schwellenwert 326 des zweiten Betriebsbereichs 324 sein und kann in einer Ausführungsform der Leistungserzeugungsgrenze des zweiten Generatorsatzes 320 von beispielsweise 3500 kW entsprechen. Wenn die neue zweite Zielleistung 352 oberhalb des zweiten Betriebsbereichs 324 ist, kann dies zu einem am wenigsten optimalen Betrieb des zweiten Generatorsatzes 320 führen und kann zu einer Belastung oder einem Verschleiß des zweiten Generatorsatzes durch Betreiben des zweiten Generatorsatzes bei oder nahe seiner Leistungserzeugungsgrenze führen. Jedoch kann die Zwischenbedingung bei der neuen zweiten Zielleistung 352 auch eine zusätzliche Leistung in Kilowatt, zumindest vorübergehend, zur Verfügung stellen, während der erste Generatorsatz 300 seinen Betriebsbereich 304 und seine Zielleistung 310 anhebt. Nachdem der erste Generatorsatz 300 seine Einstellungen angehoben hat, kann die dynamische Laststeuerung die neue zweite Zielleistung 352 auf ein Niveau absenken, das dem der angehobenen zweiten Zielleistung 332 entspricht, um erneut einen effizienten Betrieb des zweiten Generatorsatzes 320 aufzunehmen. Der zweite Generatorsatz 320 kann in verschiedenen Ausführungsformen während der Zwischenbedingung in einem Statik-Modus betrieben werden, um, wenn nötig, eine zusätzliche Lastverteilung bereitzustellen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist dazu gedacht, eine elektrische Last auf mehrere Generatorsätze, die eine elektrische Leistung für eine isolierte Last, dessen Leistungsbedarf variieren oder fluktuieren kann, zu verteilen. Die Verfahren und Routinen, die in dem Flussdiagramm 400 gezeigt sind, können durch jede geeignete elektronische Steuerung durchgeführt werden, die dazu angepasst ist, mit ein oder mehreren Generatorsätzen zu kommunizieren und deren Betrieb zu steuern. In 7 ist ein Flussdiagramm 400 dargestellt, mit dem verschiedene Routinen und Verfahren zum Durchführen verschiedener Aspekte der Offenbarung umgesetzt werden. Das Flussdiagramm 400 kann bei einem ersten Schritt 402 beginnen, bei dem ein erster Generatorsatz mit einem langsameren Ansprechverhalten und ein zweiter Generatorsatz mit einem schnelleren Ansprechverhalten parallel betrieben werden, um eine Leistung für den Leistungsbedarf der elektrischen Last zu erzeugen. In einem Erfassungsschritt 404 kann die zum Flussdiagramm gehörende Steuerung einen Leistungsbedarfanstieg der elektrischen Last, der beispielsweise dadurch erzeugt wird, dass eine Vorrichtung mit der elektrischen Last verbunden wird, erfassen.
Abhängig von dem erfassten Leistungsbedarfanstieg kann die elektronische Steuerung in einem ersten Erfassungsschritt 410 einen neuen optimalen Betriebsbereich und eine neu optimale Zielleistung bei dem schnelleren Generatorsatz einstellen. In einem vergleichbaren zweiten Erfassungsschritt 412 kann die elektronische Steuerung einen Betriebsbereich und eine neue Zielleistung, die für den langsameren Generatorsatz einzustellen sind, erfassen. Basierend auf einer asymmetrischen Lastverteilungsstrategie können der erfasste Betriebsbereich und die erfasste Zielleistung unter Berücksichtigung der Antriebsmaschinen für den schnelleren und den langsameren Generatorsatz beispielsweise unter Berücksichtigung der Kraftstoffeffizienz und unter Berücksichtigung von Emissionen berechnet werden. Da das Ansprechverhalten des schnelleren Generatorsatzes dazu führen wird, dass dieser den Betriebsbereich und die Zielleistung an das ermittelte Level anheben kann, bevor der langsamere Generatorsatz reagieren kann, kann die elektronische Steuerung verschiedene Verfahren anwenden, um die Auswirkungen, die die verschiedenen Ansprechzeiten auf die Stromerzeugung haben können, zu berücksichtigen.
In einem ersten Verfahren kann die elektronische Steuerung einen Einstellschritt 420 durchführen, bei dem der ermittelte Betriebsbereich am schnelleren Generatorsatz eingestellt wird, sodass der dynamische Betriebsbereich, in dem der schnellere Generatorsatz betrieben werden kann, effektiv angehoben wird. Die elektronische Steuerung kann zudem einen Stellschritt 422 ausführen, der die Zielleistung auf das ermittelte optimale Level zurücksetzt. Der schnellere Generatorsatz kann die Leistung bei der optimalen Zielleistung innerhalb des Betriebsbereichs erzeugen, während der langsamere Generatorsatz seine Betriebsparameter anhebt. Um die zeitlichen Unterschiede bei der Leistungserzeugung des schnelleren und des langsameren Generatorsatzes aufgrund der gestiegenen Last zu berücksichtigen, kann die elektronische Steuerung einen Statik-Schritt 424 durchführen, bei dem der schnellere Generatorsatz in einem Statik-Modus betrieben wird, um die zusätzliche Last, die zeitweise von dem langsameren Generatorsatz abgeworfen werden kann, zu berücksichtigen. Der Statik-Modus kann so lange anhalten, bis der langsamere Generatorsatz den optimalen Betriebsbereich und die optimale Zielleistung in einem Anhebeschritt 428 angehoben hat.
In einem zweiten Verfahren kann die elektronische Steuerung den Einstellschritt 430 durchführen, um den ermittelten optimalen Betriebsbereich am schnelleren Generatorsatz einzustellen. Die elektronische Steuerung kann dann aber einen Stellschritt 432 durchführen, der die Zielleistung oberhalb des ermittelten optimalen Betriebsbereichs einstellt. Beispielsweise kann der Stellschritt 432 die Zielleistung auf den oberen Schwellenwert des Betriebsbereichs des schnelleren Generatorsatzes einstellen. Obwohl diese Einstellung dazu führen kann, dass der schnellere Generatorsatz zeitweise bei Effizienzen betrieben wird, die nicht optimal sind, kann diese Einstellung eine zusätzliche Leistung zur Verfügung stellen, die die Verzögerung im Ansprechverhalten des zweiten Generatorsatzes kompensiert. Wenn nötig, kann die elektronische Steuerung ferner einen Statik-Schritt 434 durchführen, um eine zusätzliche Last des langsameren Generatorsatzes aufzunehmen. Wenn der langsamere Generatorsatz die Betriebsgrenze und die Zielleistung auf die optimalen Einstellungen während des Anhebeschritts 428 abhebt, kann die Steuerung einen Anpassschritt 436 ausführen, um die Zielleistung des schnelleren Generatorsatzes an das ermittelte optimale Level anzupassen und erneut einen effizienten Betrieb zu ermöglichen.
Die elektronische Steuerung kann in einem dritten Verfahren wiederum den Einstellschritt 440 durchführen, um den ermittelten optimalen Betriebsbereich am schnelleren Generatorsatz einzustellen. Um während des Erreichens der Einstellungen des langsameren Generatorsatzes die zusätzliche Leistung zur Verfügung zu stellen, kann die elektronische Steuerung einen Stellschritt 442 vornehmen, bei dem die Zielleistung des schnelleren Generatorsatzes oberhalb der berechneten optimalen Zielleistung und oberhalb des oberen Schwellenwertes des Betriebsbereichs eingestellt wird. Ein Betrieb bei dieser Einstellung kann die ineffizienteste und anspruchsvollste Einstellung für den schnelleren Generatorsatz darstellen. Sie kann aber die unzureichende Leistung des langsameren Generatorsatzes aufgrund dessen Anspruchverhaltens kompensieren. Wenn nötig, kann die elektronische Steuerung zudem den Statik-Schritt 444 durchführen, um den schnelleren Generatorsatz in einem Statik-Modus zu betreiben. Nachdem der langsamere Generatorsatz den Anhebeschritt 428 beendet hat und bei dem ermittelten optimalen Betriebsbereich und bei der ermittelten optimalen Zielleistung betrieben wird, kann die elektronische Steuerung einen Anpassschritt 446 durchführen, um die Zielleistung des schnelleren Generatorsatzes unterhalb des oberen Schwellenwertes des Betriebsbereichs und auf die ermittelte optimalen Zielleistung zu senken.
Ein möglicher Vorteil der Offenbarung besteht daher darin, Generatorsätze mit unterschiedlichen Leistungserzeugungsfähigkeiten (Nennleistungen), die während einer Leistungsbedarfsänderung einer elektrischen Last unterschiedliche Ansprechverhalten aufweisen, aufeinander anzupassen. Ein anderer möglicher Vorteil besteht in einer vereinfachten asymmetrischen Lastverteilungsstrategie für mehrere Generatorsätze, die eine Leistung für eine isolierte elektrische Last erzeugen. Diese und andere Vorteile sollten durch die obige Offenbarung offensichtlich werden.
Die vorstehende Beschreibung gibt lediglich Ausführungsbeispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik wieder. Es ist deshalb möglich, dass sich andere Ausgestaltungen der Offenbarung in Einzelheiten von den vorstehenden Beispielen unterscheiden. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder entsprechende Beispiele betreffen spezielle Ausführungsbeispiele, die bislang diskutiert wurden, und sind nicht zur beschränkenden Auslegung der vorliegenden allgemeinen Offenbarung bestimmt. Eine abgrenzende oder herabsetzende Wortwahl mit Bezug auf bestimmte Merkmale der vorliegenden Offenbarung ist nur als auf eine fehlende Bevorzugung dieses Merkmals hinweisend zu verstehen. Eine solche Wortwahl soll ein derartig bezeichnetes Merkmal aber nicht vom Umfang der vorliegenden Offenbarung ausschließen, es sei denn, dass dies ausdrücklich gewollt ist.
Die in der vorliegenden Offenbarung aufgeführten Bereiche dienen lediglich als Hinweis und schließen jeden einzelnen sich innerhalb dieser Bereiche befindlichen Wert mit ein, sofern dies nicht explizit ausgeschlossen wird. Demnach sind hier alle sich innerhalb der Bereiche befindlichen Werte in die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung aufgenommen als ob sie explizit aufgeführt wären. Alle in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren können in jeder beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden, es sei denn, dass dies explizit verneint ist oder in einem offensichtlichen Widerspruch zum Kontext steht.
Die Verwendung der Begriffe “ein”, “eine”, “der”, “die”, “das” und “mindestens eine”, “mindestens eine” und ähnliche Begriffe, die im Zusammenhang mit der beschriebenen Erfindung (insbesondere in Zusammenhang mit den folgenden Ansprüchen) verwendet werden, dienen dazu, sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl darzustellen, es sei denn, dass sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt. Die Verwendung der Begriffe “mindestens ein” bzw. “mindestens eine” gefolgt von einer Aufzählung von einem oder mehreren Elementen (beispielsweise „mindestens einer aus A und B”) bedeutet, dass eine der Komponenten (A oder B) oder jeder Kombination von zwei oder mehreren Komponenten (A und B) gemeint sein können, es sei denn, dass sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt.
Die Offenbarung umfasste daher alle Modifikationen und Äquivalente der in den Ansprüchen wiedergegebenen Gegenstände, sofern diese erlaubt sind. Darüber hinaus ist durch diese Offenbarung jede Kombination der oben beschriebenen Elemente in allen beliebigen Variationen offenbart, es sei denn, dass sich aus dem Kontext etwas anderes ergibt.
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 [0004]

Claims

Elektrisches Leistungssystem (100) mit: einem gemeinsamen Bus (134) der mit einer elektrischen Last (136) verbunden ist, einem mit dem gemeinsamen Bus (136) verbundenen ersten Generatorsatz (300) mit einer ersten Leistungserzeugungsgrenze und einem ersten Ansprechverhalten auf Änderungen der elektrischen Last (136), einem mit dem gemeinsamen Bus (136) verbundenen zweiten Generatorsatz (320) mit einer zweiten Leistungserzeugungsgrenze und einem zweiten Ansprechverhalten auf Änderungen der elektrischen Last (136), wobei das zweite Ansprechverhalten langsamer als das erste Ansprechverhalten ist, und einer elektronischen Steuerung (144), die dazu ausgebildet ist, i) in Abhängigkeit von Änderungen der elektrischen Last (136) bei dem ersten Generatorsatz (300) einen ersten Betriebsbereich (304) und bei dem zweiten Generatorsatz (320) einen zweiten Betriebsbereich (324) einzustellen, ii) in Abhängigkeit von Änderungen der elektrischen Last (136) eine erste Zielleistung (310) innerhalb des ersten Betriebsbereichs (304) und eine zweite Zielleistung (332) innerhalb des zweiten Betriebsbereichs (324) zu ermitteln und iii) die erste Zielleistung (312) in Abhängigkeit von dem ersten Ansprechverhalten und die zweite Zielleistung (332) in Abhängigkeit von dem zweiten Ansprechverhalten einzustellen.
Elektrisches Leistungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuerung (144) ferner dazu ausgebildet ist, die erste Zielleistung (312) vorübergehend auf einen oberen Schwellenwert (306) des ersten Betriebsbereichs (304) einzustellen, bevor die erste Zielleistung (312) innerhalb des Betriebsbereichs (304) eingestellt wird.
Elektrisches Leistungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuerung (140) ferner dazu ausgebildet ist, die erste Zielleistung (312) vorübergehend auf einen Wert oberhalb des oberen Schwellenwertes (306) des ersten Betriebsbereichs (304) einzustellen, bevor die erste Zielleistung (312) innerhalb des Betriebsbereichs (304) eingestellt wird.
Elektrisches Leistungssystem (100) nach Anspruch 3, wobei die elektronische Steuerung (140) ferner dazu ausgebildet ist, die erste Zielleistung (312) vorübergehend auf die erste Leistungserzeugungsgrenze einzustellen.
Elektrisches Leistungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Generatorsatz (300) in einem Statik-Modus betrieben wird, bis die zweite Zielleistung (332) innerhalb des zweiten Betriebsbereichs (324) eingestellt ist.
Elektrisches Leistungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Betriebsbereich (304) und der zweite Betriebsbereich (324) dynamisch und in ihrer Größe angepasst werden, wenn sie erhöht werden.
Verfahren zum Betreiben mehrerer Generatorsätze, mit: Verbinden eines ersten Generatorsatzes (300), der eine erste Leistungserzeugungsgrenze aufweist, und eines zweiten Generatorsatzes (320), der eine zweite Leistungserzeugungsgrenze aufweist, mit einer elektrischen Last (136) wobei der erste Generatorsatz (300) ein erstes Ansprechverhalten auf Änderungen der elektrischen Last (136) aufweist, das schneller als ein zweites Ansprechverhalten des zweiten Generatorsatzes (320) ist, Einstellen eines ersten Betriebsbereichs (304) bei dem ersten Generatorsatz (300) und Einstellen einer ersten Zielleistung (310) innerhalb des ersten Betriebsbereichs (304), Einstellen eines zweiten Betriebsbereichs (324) bei dem zweiten Generatorsatz (320) und Einstellen einer zweiten Zielleistung (332) innerhalb des zweiten Betriebsbereichs (324), Anheben des ersten Betriebsbereichs (304) innerhalb der ersten Leistungserzeugungsgrenze und Anheben des zweiten Betriebsbereichs (324) innerhalb der zweiten Leistungserzeugungsgrenze in Abhängigkeit eines Leistungsbedarfsanstiegs der elektrischen Last (136) und Einstellen der ersten Zielleistung (312) in Abhängigkeit von dem ersten Ansprechverhalten und Einstellen der zweiten Zielleistung (332) in Abhängigkeit von dem zweiten Ansprechverhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Zielleistung (312) innerhalb des angehobenen ersten Betriebsbereichs (304) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Einstellens der ersten Zielleistung (312) ein vorübergehendes Einstellen der ersten Zielleistung (312) auf einen Wert oberhalb des oberen Schwellenwertes des ersten Betriebsbereichs (304) umfasst, bevor die zweite Zielleistung (332) auf einen Wert innerhalb des angehobenen zweiten Betriebsbereichs (324) zurückgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner mit dem Betreiben des ersten Generatorsatzes (300) in einem Statik-Modus bis die zweite Zielleistung (332) eingestellt ist.