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Gebiet der Technik
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Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Generatorsätze und insbesondere ein System und Verfahren zur Spannungsregelung von mehreren Generatorsätzen an einem frequenzvariablen Bus.
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Stand der Technik
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Die Stromerzeugung außerhalb des Stromnetzes, wie beispielsweise auf Seefahrzeugen, wird durch die Kopplung mehrerer Generatorsätze erreicht, um sowohl Primärlasten, wie beispielsweise Propeller oder andere Antriebsmechanismen, als auch verschiedene Hilfslasten, wie zum Beispiel Klimasteuerungssysteme, Beleuchtungssysteme, Pumpen und dergleichen, anzutreiben. Verschiedene Konfigurationen von Generatorsätzen werden nach Faktoren wie Lastoptimierung, Lastverteilung, Brennstoffeinsparung, Zuverlässigkeit, Kosten für Implementierung und Wartung usw. ausgebildet. Ein Generatorsatz umfasst in Kombination einen Antriebsmotor und einen elektrischen Generator. Der Antriebsmotor kann ein mechanischer Motor sein, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor (z. B. ein Dieselmotor mit Kompressionszündung) oder eine Gasturbine, in der ein Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft verbrannt werden, um die darin enthaltene chemische Energie freizusetzen und diese Energie in eine mechanische oder Antriebskraft umzuwandeln. Die Antriebskraft wiederum wird dazu verwendet, einen Rotor relativ zu einem Stator des Generators zu drehen, sodass ein rotierendes Magnetfeld einen elektrischen Strom in den Feldwicklungen des Stators induziert. Der erzeugte Strom wird zur Deckung des Primär- und Hilfslastbedarfs verwendet.
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Die Frequenz und Spannung der Generatorsätze müssen mit der elektrischen Last auf dem gemeinsamen Bus synchronisiert werden. Dies wird erreicht, indem die Ausgabe des Generatorsatzes in eine Ausgabe mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung umgewandelt wird, die mit der des gemeinsamen Busses kompatibel ist. Während einige Geräte direkt mit der konstanten Frequenz und konstanten Spannung des gemeinsamen Busses arbeiten können, sind einige Geräte, wie beispielsweise Geräte mit variabler Frequenz, möglicherweise nicht kompatibel. Inkompatible Geräte, wie beispielsweise frequenzvariable Generatorsätze oder frequenzvariable Lasten, erfordern möglicherweise eine zusätzliche Umwandlungsstufe, um die konstante Frequenz und die konstante Spannung des gemeinsamen Busses in die bestimmte Frequenz und die bestimmte Spannung umzuwandeln, die von den Geräten mit variabler Frequenz gewünscht werden.
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Änderungen in der frequenzvariablen Last können erhebliche Auswirkungen auf den Antriebsmotor und/oder den Generator des Generatorsatzes haben. Wenn zum Beispiel eine große Last in Betrieb genommen wird, kann die Drehzahl des Antriebsmotors schnell abnehmen, was sich auf die Generatorleistung auswirkt und gleichzeitig die mechanischen Komponenten des Antriebsmotors erheblich belastet. Ein Spannungsregler kann transiente Spannungsschwankungen ausgleichen, indem er die Erregung an der stationären Spule im Generator erhöht oder verringert. Ein typischer Spannungsregler ist mit vorgegebenen Sollwerten ausgebildet, die die Soll-Ausgabe mit dem entsprechenden Erregerstrom korrelieren, der erforderlich ist, um die gewünschte Kompensation zu erreichen. Die Sollwerte eines typischen Spannungsreglers sind jedoch für bestimmte Busfrequenzen voreingestellt und können nicht an ein Kontinuum von Busfrequenzen angepasst werden.
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Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, einen oder mehrere der oben genannten Mängel und Nachteile zu beheben. Es versteht sich jedoch, dass die Lösung eines bestimmten Problems keine Einschränkung des Umfangs dieser Offenbarung oder der beigefügten Ansprüche darstellt, außer in dem ausdrücklich angegebenen Umfang.
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Kurzdarstellung der Offenbarung
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In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist ein frequenzvariables Spannungsregelungssystem vorgesehen. Das frequenzvariable Spannungsregelungssystem kann einen frequenzvariablen Bus und eine frequenzvariable Last umfassen, die direkt mit dem frequenzvariablen Bus verbunden ist. Das System kann eine Vielzahl von frequenzvariablen Generatorsätzen enthalten, die direkt mit dem frequenzvariablen Bus verbunden sind, wobei jeder frequenzvariable Generatorsatz eine Generatorsatzsteuerung und einen frequenzvariablen Spannungsregler enthält. Die Generatorsatzsteuerung ist zum Auswählen von Sollwerten basierend auf einer ausgewählten Frequenzgangkurve des frequenzvariablen Generatorsatzes ausgebildet, und der frequenzvariable Spannungsregler ist zum Regeln einer elektrischen Ausgabe des frequenzvariablen Generatorsatzes basierend auf den ausgewählten Sollwerten ausgebildet. Das System kann eine Spannungsregelungssteuerung in elektrischer Verbindung mit der Vielzahl von Generatorsatzsteuerungen und dem frequenzvariablen Bus enthalten. Die Spannungsregelungssteuerung ist ausgebildet, um eine Sollbusfrequenz des frequenzvariablen Busses basierend auf der frequenzvariablen Last zu ermitteln; eine optimale Frequenzgangkurve basierend auf der Sollbusfrequenz und einem Frequenzgangmodell jedes frequenzvariablen Generatorsatzes zu ermitteln; und die ausgewählte Frequenzgangkurve basierend auf der ermittelten optimalen Frequenzgangkurve zu aktualisieren.
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In einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur frequenzvariablen Spannungsregelung einer Vielzahl von frequenzvariablen Generatorsätzen vorgesehen, wobei die Vielzahl von frequenzvariablen Generatorsätzen direkt mit einem frequenzvariablen Bus verbunden sind. Das Verfahren umfasst die Auswahl von Sollwerten basierend auf einer ausgewählten Frequenzgangkurve eines entsprechenden frequenzvariablen Generatorsatzes; die Regelung einer elektrischen Ausgabe des frequenzvariablen Generatorsatzes basierend auf den ausgewählten Sollwerten; und das Ermitteln einer Sollbusfrequenz des frequenzvariablen Busses basierend auf einer direkt mit dem frequenzvariablen Bus verbundenen frequenzvariablen Last. Und die optimale Frequenzgangkurve wird basierend auf der Sollbusfrequenz und einem Frequenzgangmodell jedes frequenzvariablen Generatorsatzes ermittelt. Die ausgewählte Frequenzgangkurve wird basierend auf der ermittelten optimalen Frequenzgangkurve aktualisiert.
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In einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung wird ein frequenzvariables Microgrid bereitgestellt. Das frequenzvariable Microgrid kann einen frequenzvariablen Bus enthalten, der für den Betrieb mit einer Reihe von Busfrequenzen ausgebildet ist. Eine Vielzahl von frequenzvariablen Generatorsätzen kann mit dem frequenzvariablen Bus wirkverbunden sein, und eine frequenzvariable Last kann mit dem frequenzvariablen Bus wirkverbunden sein. Eine Spannungsregelungssteuerung kann mit dem frequenzvariablen Bus und der Vielzahl von frequenzvariablen Generatorsätzen wirkverbunden sein. Die Spannungsregelungssteuerung ist zum Ermitteln einer optimalen Busfrequenz und zum Ermitteln einer optimalen Frequenzgangkurve für jeden frequenzvariablen Generatorsatz basierend auf der optimalen Busfrequenz ausgebildet. Das frequenzvariable Microgrid kann eine Vielzahl von frequenzvariablen Spannungsreglern enthalten, wobei jeder frequenzvariable Spannungsregler zur Regelung einer Ausgabe eines entsprechenden frequenzvariablen Generatorsatzes gemäß optimalen Sollwerten ausgebildet ist, die mit der ermittelten optimalen Frequenzgangkurve verbunden sind.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Darstellung einer Seitenaufrissansicht eines Seefahrzeugs mit einem frequenzvariablen Spannungsregelungssystem gemäß einer dargestellten Ausführungsform;
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine Sollbusfrequenz-Steuerstrategie;
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine optimale Gangkurven-Steuerstrategie;
- 4 zeigt ein Diagramm einer Frequenzgangkurve; und
- 5 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine Spannungsregelungssteuerstrategie.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung betrifft ein elektrisches Leistungssystem, das eine Vielzahl von frequenzvariablen Generatorsätzen (FVGs) umfasst, die so ausgebildet sind, dass sie Leistung erzeugen und über einen frequenzvariablen Bus (FVB) an eine frequenzvariable Last (FVL) bereitstellen. Die Offenbarung betrifft auch die Steuerstrategien und elektronischen Steuerungen zur Regelung des Betriebs der FVGs. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf ein frequenzvariables Spannungsreglersystem (FVSR-System) zum Ermitteln einer optimalen Kniefrequenz für jeden FVG basierend auf einer Sollbusfrequenz und den Leistungsmerkmalen jedes FVG. Die Kniefrequenz ist mit einem Schwellenwert in Volt pro Hertz verbunden, bei dem der FVSR die elektrische Leistung des Generatorsatzes gemäß einem optimalen Sollwert einer optimalen Frequenzgangkurve regelt.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleichartige Bezugsnummern auf gleichartige Elemente beziehen, ist in 1 ein FVSR-System 100 dargestellt, das so angeordnet werden kann, dass es elektrische Leistung für eine isolierte elektrische Last erzeugt. Beispielsweise kann das FVSR-System 100 derart angeordnet sein, dass es die elektrischen Anforderungen eines Seefahrzeugs 102 wie eines Frachters oder Frachtschiffes erfüllt. Das Seefahrzeug 102 in 1 ist ein Beispiel für ein System mit frequenzvariablen Leistungsanforderungen; die Lehren dieser Offenbarung können jedoch mit Leichtigkeit und Wirksamkeit auf jede andere Maschine mit frequenzvariablen Leistungsanforderungen angewendet werden. Das FVSR-System 100 kann elektrische Leistung für die Antriebseinheiten 104 erzeugen, die am Rumpf 106 des Seefahrzeugs 102 montiert sind. In einer Ausführungsform können die Antriebseinheiten 104 aus einer Vielzahl von Azimut-Schubdüsen bestehen, bei denen es sich um elektrisch angetriebene Einheiten handelt, die sich unabhängig vom Rumpf des Seefahrzeugs 102 drehen können, wodurch ein Ruder entfällt. Die Azimut-Schubdüsen können mit Leistung betrieben werden, die direkt vom FVSR-System 100 erzeugt wird, anstatt direkt von einer Leistungseinheit wie einem Motor, Reaktor oder Kessel angetrieben zu werden. Zusätzlich zu den Antriebseinheiten 104 können die elektrischen Anforderungen des Seefahrzeugs 102 motorisierte Kräne 108 zum Heben und Bewegen von Fracht, Kommunikationsgeräte 110 zur Kommunikation mit Land- und anderen Seefahrzeugen und ähnliches umfassen. Darüber hinaus kann das FVSR-System 100 die Navigationssteuerungen 112 mit Leistung versorgen, die auf der Brücke 114 des Seefahrzeugs angeordnet sein können, um die Bewegung und den Betrieb des Seefahrzeugs zu steuern, sowie die Heizung, Lüftung und Klimaanlage (HLK) 116 für die Umweltkontrolle des Seefahrzeugs oder das Wohnquartier und die Lebensmittelzubereitung 118. Diese Komponenten bilden zusammen die elektrische Last des Seefahrzeugs.
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Das Seefahrzeug 102 ist von einem größeren Leistungsnetz elektrisch isoliert; daher ist das unabhängige FVSR-System 100 so ausgebildet, dass es über ein örtlich begrenztes Microgrid die von den verschiedenen Komponenten des Seefahrzeugs 102 benötigte elektrische Leistung bereitstellt. Der Begriff „unabhängig“ kann sich auf einen „netzunabhängigen“ FVSR 100 beziehen, wie beispielsweise isolierte Systeme auf einer Insel, einer Bohrplattform, an einem abgelegenen Standort und dergleichen. Andere Seefahrzeuganwendungen für das FVSR-System 100, zusätzlich zu dem in 1 dargestellten Frachter, können Militärschiffe, Passagierschiffe, Tanker, Flugzeuge und dergleichen sein. Ebenso kann das hierin beschriebene FVSR-System 100 für jede andere Anwendung eingesetzt werden, bei der elektrische Leistung aus einem von einem Versorgungsunternehmen versorgten Leistungsnetz nicht ohne weiteres verfügbar ist oder unterbrochen werden kann. Zum Beispiel das FVSR-System 100 Anwendungen zur Ölbeschaffung, Anwendungen zur Gasbeschaffung, temporäre Militärstützpunkte oder dergleichen. Das hierin beschriebene FVSR-System 100 kann vorteilhafterweise unabhängig von einem größeren Leistungsnetz, in dem die elektrische Leistung von externen Quellen wie Kraftwerken, Kernreaktoren, Wasserkraftwerken, Staudämmen, Solaranlagen, Windkraftanlagen und dergleichen bereitgestellt wird, betrieben werden.
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Zur Erzeugung elektrischer Leistung beinhaltet das FVB-System 100 eine Vielzahl parallel arbeitender FVGs 120, um den Leistungsbedarf der FVL 122 zu decken. Jeder Generatorsatz 120 umfasst einen Antriebsmotor 124, der rotierend an einen elektrischen Generator 126 gekoppelt ist. Der Antriebsmotor kann ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor mit Kompressionszündung sein, während der elektrische Generator 126 ein Einphasengenerator oder insbesondere ein Mehrphasengenerator sein kann. Der Antriebsmotor 124 kann Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft verbrennen, um eine Antriebsleistung zu erzeugen, die ein Magnetfeld im elektrischen Generator 126 in Rotation versetzt. Das rotierende Magnetfeld induziert einen Strom in den Statorfeldwicklungen, um die Antriebsleistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Jeder FVG 120 enthält einen frequenzvariablen Spannungsregler (FVSR) 128, der die elektrische Leistung des Generators 126 regeln kann, um Änderungen der Busfrequenz oder der Busspannung aufgrund von Änderungen in der FVL 122 auszugleichen. Der FVSR 128 regelt den Ausgang des entsprechenden FVG 120, um eine Soll-Ausgangsspannung und Soll-Ausgangsfrequenz zu gewährleisten.
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Um dem Antriebsmotor 122 Brennstoff für die Verbrennung zur Verfügung zu stellen, kann das elektrische Leistungssystem 100 funktionsfähig mit einem oder mehreren Brennstofftanks 130 oder Vorratsbehältern verbunden sein. Neben dem Beispiel eines Verbrennungsmotors sind andere Variationen des Antriebsmotors 124 Gasverbrennungsturbinen, Drehmotoren, Reaktoren, Dampfkessel und dergleichen. Während die elektrische Leistung der hier beschriebenen FVGs 120 in jeder geeigneten Menge bemessen werden kann, kann ein beispielhafter Generatorsatz mehrere Kilowatt und die Kombination der Generatorsätze zusammen mehrere hundert Kilowatt erzeugen. Um den Betrieb des Antriebmotors 124 und des FVSR 128 zu regeln, kann jeder FVG 120 mit einer elektronischen FVG-Steuerung 132 ausgestattet sein. Die FVG-Steuerung 132 kann eine Computervorrichtung sein, die typische Rechen- und digitale Verarbeitungsfunktionen ausführen kann.
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Die vom elektrischen Generator 126 der Generatorsätze 120 erzeugte elektrische Leistung kann in Form von Wechselstrom (AC) vorliegen, wobei Spannung und Strom im Gegensatz zu Gleichstrom (DC) periodisch die Richtung umkehren. Die Phasenänderung oder Richtungsänderung des Wechselstroms kann Strom und Spannung entsprechend einer zyklischen Wellenform erzeugen. Insbesondere eine sinusförmige Wellenform, bei der sich die Amplitude des Stroms und der Spannung periodisch und wiederholt von einem positiven Wert zu einem gleichen negativen Wert und wieder zurück zum positiven Wert ändert. Um den erzeugten elektrischen Strom zu kombinieren, kann die Vielzahl von FVGs 120 mit einem FVB 134 in einer parallelen Anordnung elektrisch verbunden sein. In einer parallelen Anordnung ist der vom FVSR-System 100 erzeugte Gesamtstrom die Summe der einzelnen Ströme, die von jedem der Vielzahl von FVGs 120 erzeugt werden, während das Potenzial oder die Spannung im Allgemeinen bei jedem der Generatorsätze gleich ist. Der FVB 134 kann über ein Netzwerk oder einen Stromkreis elektrisch mit den elektrischen Geräten des Seefahrzeugs 102 verbunden sein, die zusammen die FVL 122 des Seefahrzeugs bilden. Die Gesamtsumme der elektrischen Leistung, die von jedem der mehreren FVGs 120 bereitgestellt wird, bildet die Leistungsquelle des Seefahrzeugs 102. Die Vielzahl von FVGs 120, die FVL 122 und der FVB 143 können zusammen ein frequenzvariables Microgrid bilden.
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Das FVSR-System 100 ist ein frequenzvariables System, bei dem alle Komponenten des Systems mit variablen Frequenzen unabhängig von jeglichen Frequenzumwandlungsstufen arbeiten können. „Unabhängig von jeglicher Frequenzumwandlungsstufe“ bezieht sich auf Anordnungen, bei denen die FVGs 120 und die FVL 122 direkt mit dem FVB 134 verbunden sind. Genauer gesagt, sind ein Ausgang 136 des elektrischen Generators 126 und ein Eingang 138 der FVL 122 direkt mit dem FVB 134 verbunden, ohne eine zwischengeschaltete Frequenzumwandlungsstufe, wie z. B. ein Frequenzumrichterantrieb (FUA). Bei einer gemeinsamen Busanordnung wird jeder FVG mit einem FUA gepaart, der die frequenzvariable Ausgabe in eine Ausgabe mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung, die für einen mit einer konstanten Frequenz und konstanter Spannung arbeitenden gemeinsamen Bus besser geeignet ist, umwandelt. In ähnlicher Weise ist jede FVL mit einem FUA gepaart, der die konstante Frequenz- und die konstante Spannungseingabe vom gemeinsamen Bus in eine frequenzvariable Eingabe für die FVL 122 umwandelt, z. B. frequenzvariable Schubdüsen. Das FVSR-System 100 kann die Kraftstoffeffizienz verbessern, die Systemkosten und -komplexität reduzieren und die Wartungskosten senken, indem es den Ausgang 136 jedes elektrischen Generators 126 direkt mit dem FVB 134 und den Eingang 138 der FVL 132 direkt mit dem FVB 134 wirkverbindet und somit die Notwendigkeit von FUA eliminiert.
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Während das Entfernen von FUA die Gesamteffizienz für das System 100 verbessern kann, können Änderungen in der FVL 134 negative Auswirkungen auf die FVGs 120 haben. Beispielsweise kann ein plötzlicher Anstieg der Last zu einem plötzlichen Abfall der Drehzahl des Antriebsmotors und des Generators führen, wodurch der Generatorsatz zum Stillstand kommt und abgeschaltet wird. Um Transienten zu kompensieren, kann jeder FVG 120 einen FVSR 128 enthalten, der die magnetische Flussdichte innerhalb des Generators 126 regeln kann. Da die elektrische Ausgangsleistung jedes FVG 120 direkt proportional zu dieser Flussdichte ist, kann der FVSR 128 die Ausgangsspannung und/oder Frequenz jedes Generators 126 regeln. Zur Regelung der Ausgabe kann der FVSR 128 einen Feldstrom an die stationären Spulen anlegen, um die Größe der Flussdichte zu steuern. Der Feldstrom bestimmt das Erregungsniveau des Generators 126 und bestimmt die Größe des rotierenden Magnetfeldes, das wiederum einen Strom in den Statorspulen induziert.
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Bei einem bürstenlosen Generator kann der bürstenlose Generator zwei Generatoren umfassen, die sich die rotierende Welle teilen, einen kleineren Erregergenerator und einen größeren Hauptgenerator. Durch Variieren des Feldstroms der stationären Erregerspule ändert sich die mehrphasige Ausgabe der rotierenden Erregerspulen. Der erregte Generatorausgang wird gleichgerichtet und der resultierende Gleichstrom wird den rotierenden Spulen des Hauptgenerators zugeführt, was einen mehrphasigen Ausgang von den stationären Spulen des Hauptgenerators ergibt. Somit kann der an die stationären Spulen des kleineren Erregergenerators zugeführte Feldstrom indirekt die Leistung des Hauptgenerators steuern. Ein Spannungsregler kann den den stationären Erregerspulen zugeführten Feldstrom modulieren, um die elektrische Leistung des Hauptgenerators zu regeln.
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In einer gemeinsamen Bus-Anordnung mit einem oder mehreren frequenzvariablen Generatorsätzen wird ein Spannungsregler mit Frequenzgangkurven, wie beispielsweise einer 50 Hz-Frequenzgangkurve oder einer 60 Hz-Frequenzgangkurve, für feste Bus-Frequenzen programmiert. Normalerweise wird ein frequenzvariabler Generatorsatz zwischen den beiden Betriebsfrequenzen umgeschaltet, basierend auf den Leistungsbedarfsanforderungen, den die an den gemeinsamen Bus angeschlossene Last erfordert. Bei Laständerungen ist der Spannungsregler so ausgebildet, dass er die Ausgangsspannung basierend auf einer ausgewählten Frequenzgangkurve regelt. Ein typischer Spannungsregler kann jedoch einen Frequenzbereich, wie den eines frequenzvariablen Busses, nicht kompensieren.
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Der FVSR 128 ist zur dynamischen Regelung der Leistung des Generators 126 basierend auf zumindest einer Sollfrequenz des FVB 134 oder einer optimalen Frequenzgangkurve bei der Sollfrequenz ausgebildet. Zur Koordinierung der FVSR 128 kann eine Spannungsregelungssteuerung 140 vorgesehen sein. Die Spannungsregelungssteuerung 140 kann mit jeder der einzelnen FVG-Steuerungen 132 kommunizieren, um den Betrieb der einzelnen FVSR 128 direkt zu steuern. Die elektronischen Steuerungen 132, 140 können einen Prozessor, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder andere geeignete Schaltungen zur Ausführung logischer und digitaler Funktionen enthalten und über entsprechende Datenspeicherfähigkeiten verfügen. Die elektronischen Steuerungen 132, 140 können diskrete, einzelne Einheiten sein, oder ihre Funktionen können über eine Vielzahl von verschiedenen Komponenten verteilt sein. Somit können die FVG-Steuerungen 132 und die Spannungsregelungssteuerung 140 in derselben Computerausrüstung implementiert werden, anstatt als zwei verschiedene Einheiten, wie in 1 dargestellt. Die elektronischen Steuerungen 132, 140 können über verschiedene Mittel, wie digitale Signale, analoge Signale oder über jedes andere geeignete Mittel arbeiten und miteinander kommunizieren. Die elektronischen Steuerungen können miteinander über drahtgebundene Verbindungen oder über drahtlose Verbindungen über Radiofrequenz oder Wi-Fi-Medien kommunizieren.
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Das FVSR-System 100 regelt dynamisch die elektrische Ausgabe jedes Generators 126, um die Sollfrequenz oder die Sollspannung des FVB 134 zu erreichen. Während das FVSR-System 100 die elektrische Ausgabe auf der Basis einer Sollfrequenz oder einer Sollspannung regeln kann, wird das System 100 hierin in Bezug auf eine Sollbusfrequenz des FVB 134 beschrieben. Beispielsweise kann das FVSR-System 100 eine Sollbusfrequenz des FVB 134 ermitteln und dann für jeden FVG 120 eine optimale Frequenzgangkurve ermitteln, die dieser Sollbusfrequenz entspricht. Das FVSR-System 100 aktualisiert die ausgewählte Frequenzgangkurve jedes FVSR 128 mit der bestimmten optimalen Frequenzgangkurve.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Ablaufdiagramm 200 einer Sollbusfrequenz-Steuerstrategie dargestellt. Die Spannungsregelungssteuerung 140 bestimmt die Sollbusfrequenz anhand der Leistungsmerkmale der FVGs 120 und den Leistungsbedarfsanforderungen der FVL 122. Die Leistungsmerkmale der FVGs 120 können zumindest eine Drehmomentreaktionskarte des Antriebsmotors 124, eine Kraftstoffeffizienzkarte des Generators 126 oder dergleichen umfassen. Wie bereits erwähnt, bestimmt die Drehmomentreaktionskarte die Kraftstoffeffizienzbereiche des Antriebsmotors 124, während die Kraftstoffeffizienzkarte die Energieumwandlungseffizienz des elektrischen Generators 126 ermittelt. Zusammen können die Drehmomentreaktionskarte und die Kraftstoffeffizienzkarte ein Generatorsatzmodell für jeden FVG 120 definieren. Das Generatorsatzmodell kann anhand historischer Betriebsdaten vorbestimmt werden und kann in Echtzeit basierend auf aktuellen Betriebsdaten aktualisiert werden, die während der Bedienung der FVL 122 generiert werden.
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In Schritt 202 erzeugt jede Generatorsatzsteuerung 132 die aktuellen Leistungsmerkmale der entsprechenden FVGs 120 und überträgt sie an die Spannungsregelungssteuerung 140. In Schritt 204 aktualisiert die Spannungsregelungssteuerung 140 das Generatorsatzmodell für jeden FVG 120 basierend auf den empfangenen Leistungsmerkmalen. Das Generatorsatzmodell für jeden FVG 120 kann im lokalen Arbeitsspeicher der Spannungsregelungssteuerung 140 gespeichert werden oder entfernt gespeichert werden, beispielsweise im Arbeitsspeicher der entsprechenden Generatorsatzsteuerung 132, an anderer Stelle auf dem Seefahrzeug 102 oder vom Seefahrzeug 102 entfernt zugänglich.
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In Schritt 206 kann die Spannungsregelungssteuerung 140 die Leistungsbedarfsanforderungen der FVL 122 ermitteln. Die Spannungsregelungssteuerung 140 kann Lastanforderungsdaten in Verbindung mit der FVL 122 empfangen. Die Lastanforderungsdaten können identifizierende Informationen bezüglich der Größenordnung oder des Typs der angeforderten FVL 122 enthalten, wie beispielsweise eine mit den Antriebseinheiten 104 verbundene Drosselklappenstellung. Die Leistungsbedarfsanforderung kann basierend auf zumindest einer Frequenzanforderung, einer Spannungsanforderung, einer zukünftigen Lastanforderung, einer Variabilitätsanforderung, den mit der FVL 122 verbundenen Lastanforderungsdaten oder historischen Daten der FVL 122 bestimmt werden. Eine zukünftige Lastanforderung kann erwartete, bekannte Änderungen der FVL beinhalten, wie beispielsweise Steuerstrategien der Antriebseinheiten 104, die sich im Laufe der Zeit ändern. Wohingegen eine Variabilitätsanforderung ein unbekanntes Rauschen oder eine Variabilitätskomponente eines Typs von FVL 122 enthalten kann, die vorhergesagt oder modelliert werden kann.
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In Schritt 208 kann die Spannungsregelungssteuerung 140 die Sollbusfrequenz und die Sollbusspannung basierend auf den bestimmten Leistungsbedarfsanforderungen ermitteln. Die Spannungsregelungssteuerung 140 kann neben den Leistungsbedarfsanforderungen auch die generierten Leistungsmerkmale der FVGs 120, das entsprechende Generatorsatzmodell oder eine Kombination daraus zum Ermitteln der Sollbusfrequenz verwenden.
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Wenn es sich in einem Beispiel bei dem Antriebsmotor 124 um einen Verbrennungsmotor handelt, kann jeder Antriebsmotor gemäß einer zugehörigen Drehmomentreaktionskurve betrieben werden, die die Kraftstoffeffizienzbereiche des Antriebsmotors 124 bei der Verbrennung von Kraftstoff und der Erzeugung von Rotationsleistung basierend auf Kraftstoffart, Last und Drehzahl ermittelt. Die Drehmomentreaktionskurve kann ermitteln oder angeben, wo der Antriebsmotor am effizientesten oder entsprechend seiner besten Kraftstoffeffizienz arbeitet. Die Drehmomentreaktionskurve ist ein Beispiel für ein Leistungsmerkmal, das die Spannungsregelungssteuerung 140 zum Ermitteln der Sollbusfrequenz verwenden kann.
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Die Spannungsregelungssteuerung 140 kann eine optimale Frequenzgangkurve für jeden FVG 120 basierend auf der bestimmten Sollbusfrequenz ermitteln. In ähnlicher Weise kann die Spannungsregelungssteuerung 140 auch entsprechende Leistungsmerkmale und/oder ein Generatorsatzmodell in Kombination mit der Sollbusfrequenz verwenden, um die optimale Frequenzgangkurve zu ermitteln. Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Ablaufdiagramm der optimalen Gangkurven-Steuerstrategie 300 dargestellt. In Schritt 302 wählt die Generatorsatzsteuerung 132 die Stromsollwerte für den FVSR 128 basierend auf einer ausgewählten Frequenzgangkurve des FVG 120 aus. Die gewählten Sollwerte können im lokalen Arbeitsspeicher der Generatorsatzsteuerung 132 oder an einem entfernten, für die Generatorsatzsteuerung 132 zugänglichen Ort gespeichert werden.
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Ein Beispieldiagramm einer Frequenzgangkurve 400 ist in 4 dargestellt. Jede Frequenzgangkurve 400 kann eine Vielzahl von Sollwerten enthalten, wie beispielsweise eine Sollfrequenz 402, eine 1. Kniefrequenz 404, eine 2. Kniefrequenz 406, einen Unterspannungsschwellenwert 408 und einen Unterfrequenzschwellenwert 410, ohne darauf beschränkt zu sein. Für eine ausgewählte Frequenzgangkurve 400 steuert der FVSR 128 die Ausgabe des Generators 126 basierend auf den Sollwerten dieser ausgewählten Frequenzgangkurve 400. Die Generatorsatzsteuerung 132 kann einen Ausgangssensor (nicht abgebildet) enthalten, der zur Erfassung der elektrischen Ausgangsfrequenz und -spannung des Generators 126 ausgebildet ist. Die Generatorsatzsteuerung 126 kann einen Fehler zwischen der Ist-Leistung und der Soll-Leistung basierend auf der gewählten Frequenzgangkurve 400 feststellen. Der ermittelte Fehler wird zur Korrektur des Feldstroms verwendet, der vom FVSR 128 ausgegeben wird, um die Leistung des Generators 126 zu regeln.
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Die 1. Kniefrequenz 404 kann einem Sollwert entsprechen, bei dem der FVSR 128 beginnen kann, einen Abfall der Ist-Ausgangsfrequenz des Generators 126 auszugleichen. Die 1. Kniefrequenz 404 ist die Ausgangsfrequenz, bei der die Ausgangsspannung des Generators 126 in Reaktion auf die abfallende Ausgangsfrequenz abzunehmen beginnt. Die Generatorsatzsteuerung 132 überträgt ein Steuersignal, das proportional zu dem zuvor erwähnten Fehler sein kann, zur Steuerung des FVSR 128, um die Ausgabe des Generators 126 basierend auf dem ermittelten Fehler zu regeln. Die Frequenzgangkurve 400 umfasst einen ersten Bereich 412 zwischen der 1. und 2. Kniefrequenz und einen zweiten Bereich 414 zwischen der 2.
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Kniefrequenz. Die Generatorsatzsteuerung 132 kann zur Vermeidung der 2. Kniefrequenz agieren, da die Zunahme des Anstiegs des zweiten Bereichs 414 dazu führen kann, dass sich der FVG 120 schnell dem Unterspannungs-Sollwert 408 und/oder dem Unterfrequenz-Sollwert 410 nähert, was zum Blockieren des Generatorsatzes führen kann.
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Obwohl nur eine Frequenzgangkurve 400 gezeigt wird, ist zu berücksichtigen, dass einige der Frequenzgangmodelle mehr als eine Frequenzgangkurve für jede verfügbare Busfrequenz aufweisen können. In einem Beispiel kann das Frequenzmodell drei eindeutige Frequenzgangkurven aufweisen, die mit jeder Sollbusfrequenz verbunden sind. Jede Frequenzgangkurve kann eindeutige Kniefrequenzen aufweisen, die eindeutige Anstiege für die dazwischen liegenden Regionen definieren. Die Frequenzkurve bei der Sollbusfrequenz kann entsprechend eines Sollverhaltens des Motors gewählt werden. Eine erste Frequenzgangkurve kann ein schnelles Ansprechverhalten des Antriebsmotors auf Kosten des erhöhten Kraftstoffverbrauchs aufweisen, ein zweiter Frequenzgang ein langsameres Ansprechverhalten des Antriebsmotors, jedoch mit verbesserter Kraftstoffeffizienz, und eine dritte Frequenzgangkurve kann optimiert werden, um die Emissionen des Antriebsmotors zu reduzieren. Wenn mehr als eine Frequenzgangkurve im Frequenzmodell bei einer einzigen Sollbusfrequenz verfügbar ist, kann die Frequenzgangkurve manuell durch eine Bedienperson oder automatisch durch die Spannungsregelungssteuerung 140 ausgewählt werden. Bei manueller Auswahl kann eine Bedienperson aus verschiedenen Modi wie Leistungsmodus, Kraftstoffeffizienzmodus, Emissionsmodus oder dergleichen auswählen. In dem dargestellten Beispiel würde der Leistungsmodus mit der ersten Frequenzgangkurve, der Kraftstoffeffizienzmodus mit der zweiten Frequenzgangkurve und der Emissionsmodus mit der dritten Frequenzgangkurve verbunden sein.
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Fortfahrend mit der Bezugnahme auf 3, empfängt die Spannungsregelungssteuerung 140 in Schritt 304 ein Frequenzgangmodell für jeden FVSR 128. Jedes Frequenzgangmodell kann einen Index der Busfrequenzen und entsprechende Frequenzgangkurven enthalten, die mit jeder Busfrequenz verbunden sind. In einem Beispiel kann das Frequenzgangmodell eine Nachschlagetabelle mit einem Eintrag für jede optimale Busfrequenz sein, die mit dem FVSR-System 100 erreicht werden kann. Die Nachschlagetabelle indiziert für jede optimale Busfrequenz zumindest eine Frequenzgangkurve 400 für den entsprechenden FVG 120. Der Einfachheit halber kann der Begriff Frequenzgangmodell die Vielzahl von Frequenzgangkurven einschließen, die mit jedem FVG 120 verbunden sind. Die Frequenzgangmodelle können im lokalen Arbeitsspeicher der Spannungsregelungssteuerung 140 oder an einem entfernten Ort gespeichert sein, auf den die Spannungsregelungssteuerung 140 Zugriff hat.
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Sobald die Sollbusfrequenz bestimmt ist, kann die Spannungsregelungssteuerung 140 anhand der Frequenzgangmodelle die entsprechende optimale Frequenzgangkurve und/oder -kurven für jeden FVG 120 identifizieren. In Schritt 306 bestimmt die Spannungsregelungssteuerung 140 die optimale Frequenzgangkurve 400 für jeden FVG 120, basierend auf der Sollbusfrequenz des FVB 134 und dem entsprechenden Frequenzgangmodell.
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In Schritt 308 übermittelt die Spannungsregelungssteuerung 140 die optimale Frequenzgangkurve an jede Generatorsatzsteuerung 132. Die Generatorsatzsteuerung 132 aktualisiert die ausgewählte Frequenzgangkurve, die gegenwärtig zur Regelung der elektrischen Ausgabe des Generators 126 verwendet wird, mit der optimalen Frequenzgangkurve. Die Spannungsregelungssteuerung 140 kann die zuvor erwähnten, mit der optimalen Frequenzgangkurve verbundenen Sollwerte an die jeweilige Generatorsatzsteuerung 132 übertragen. Die Generatorsatzsteuerung 132 aktualisiert die zuvor gespeicherten ausgewählten Sollwerte, die mit der ausgewählten Frequenzgangkurve verbunden sind, mit den optimalen Sollwerten, die mit der ermittelten optimalen Frequenzgangkurve verbunden sind. Auf diese Weise kann das FVSR-System 100 die Stromsollwerte jedes FVSR 128 in Echtzeit in Reaktion auf Änderungen des Leistungsbedarfs der FVL 134 optimieren.
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Im Schritt 310 sendet die Generatorsatzsteuerung 132 mit der optimalen Frequenzgangkurve verbundene optimale Sollwerte an den FVSR 128. In Schritt 312 kann der FVSR 128 dann die elektrische Ausgabe an den Ausgangsklemmen des Generators 126 basierend auf den optimalen Sollwerten regeln.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Aktualisierung der ausgewählten Sollwerte in jedem FVSR 128, die mit der ausgewählten Frequenzgangkurve verbunden sind, mit den optimalen Sollwerten, die mit der ermittelten optimalen Frequenzgangkurve verbunden sind, auf verschiedene Weise erreicht werden kann. In einer Ausführungsform kann die Generatorsatzsteuerung 132 die optimale Frequenzgangkurve von der Spannungsregelungssteuerung 140 erhalten. In einer anderen Ausführungsform hat die Generatorsatzsteuerung 132 das Frequenzgangmodell des entsprechenden FVG 120 im Arbeitsspeicher gespeichert. Die Generatorsatzsteuerung 132 empfängt Anweisungen von der Spannungsregelungssteuerung 140, die angeben, welche Frequenzgangkurve 400 des lokal gespeicherten Frequenzgangmodells der optimal zu verwendende Frequenzgang ist. In einer anderen Ausführungsform kann die Spannungsregelungssteuerung 140 die mit der ermittelten optimalen Frequenzgangkurve verbundenen optimalen Sollwerte über die Generatorsatzsteuerung 132 direkt an den FVSR 128 übertragen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Im Allgemeinen findet die vorliegende Offenbarung Verwendung in der Schifffahrt, kann aber auch in verschiedenen anderen Bereichen wie Bergbau, Offshore-Bohrungen, Bauwesen, Landwirtschaft, Transport und anderen Industrien von Nutzen sein. Insbesondere bietet die vorliegende Offenbarung kosteneffiziente, brennstoffeffiziente und einfache Lösungen für den Parallelbetrieb mehrerer frequenzvariabler Generatorsätze zur direkten Leistungsversorgung eines frequenzvariablen Busses ohne jegliche Frequenzumwandlung.
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In der Regel besteht jeder frequenzvariable Generatorsatz aus einem Spannungsregler, um die elektrische Ausgabe des Generatorsatzes zu regeln. Bei Laständerungen passt eine Generatorsatzsteuerung die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Generatorsatzes an den Leistungsbedarf der Last an. Der Regler des Antriebsmotors kann jedoch sofort reagieren, beispielsweise auf Lastzunahmen, die zu einem Abfall der Ausgangsspannung und/oder - frequenz des Generatorsatzes führen. Ein Spannungsregler kann den Abfall der Ausgangsspannung und/oder -frequenz kompensieren, indem ein Feldstrom auf den Erreger des Generators gegeben wird, um die Klemmenspannung und/oder -frequenz auf dem Sollleistungsbedarf der Last zu halten.
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In der Regel wird ein Spannungsregler mit einem Sollwert für übliche Busfrequenzen wie 50 Hz und 60 Hz programmiert. Gemeinsame Busarchitekturen, die auf einer gemeinsamen Frequenz arbeiten, erfordern jedoch FUA, die die Betriebsfrequenz der Generatorsätze und der Lasten mit der des gemeinsamen Busses abstimmen, z. B. 50 Hz oder 60 Hz. Jeder FUA innerhalb des Systems kann einen Effizienzverlust von 2 % bis 8 % bewirken. Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, die Systemkosten zu reduzieren, die Systemkomplexität zu verringern und die Wartungskosten zu senken, indem die Sollwerte der FVSR 128 in Echtzeit basierend auf Änderungen der optimalen Busfrequenz eines FVB 132 optimiert werden. Als Teil eines Lastverteilungsschemas zielt das FVSR-System 100 insbesondere darauf ab, die elektrische Leistung jeder der mehreren FVGs 120 zu regeln, die direkt an einen FVB 132 angeschlossen sind, um eine FVL 122 unabhängig von jeglichen Frequenzumwandlungsstufen direkt zu versorgen.
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Unter Bezugnahme auf 5 ist ein Ablaufdiagramm für eine Spannungsregelungssteuerstrategie 500 dargestellt. In Schritt 502 ist die Spannungsregelungssteuerung 140 ausgebildet, um die Sollbusfrequenz des FVB 134 basierend auf den Leistungsbedarfsanforderungen einer FVL 132 und den Leistungsmerkmalen jedes FVG 120, der mit dem FVB 134 wirkverbunden ist, zu ermitteln. In Schritt 504 bestimmt die Spannungsregelungssteuerung 140 basierend auf der Sollbusfrequenz die optimale Frequenzgangkurve für jeden FVG 120 nach einem Frequenzgangmodell. Wie bereits erwähnt, indexiert das Frequenzgangmodell jede Sollbusfrequenz mit einer oder mehreren optimalen Frequenzgangkurven, die jedem FVG 120 bei der Sollbusfrequenz zugeordnet sind. Im Schritt 506 empfängt jede Generatorsatzsteuerung 132 die entsprechende optimale Frequenzkurve 400 von der Spannungsregelungssteuerung 140 und sendet die entsprechenden optimalen Sollwerte an den FVSR 128. Und im Schritt 508 regelt der FVSR 128 die Leistung des entsprechenden FVG 120 nach den optimalen Sollwerten.
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Es ist offensichtlich, dass die vorstehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch denkbar, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen auf das jeweils an dieser Stelle beschriebene Beispiel Bezug nehmen und sollen keine Begrenzung des allgemeinen Umfangs der Offenbarung implizieren. Jeglicher Ausdruck von Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf keine Bevorzugung dieser Merkmale hinweisen, diese jedoch nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, soweit dies nicht anderweitig angegeben ist.
