ES2854324T3 - Compensación de carga dinámica - Google Patents
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Abstract
Sistema para reducir las variaciones de carga y frecuencia en la distribución de potencia de una embarcación posicionada dinámicamente, el sistema que comprende un control de carga del consumidor (113) que se conecta al menos a un generador de potencia y al menos a un propulsor (107), el control de carga del consumidor (113) está adaptado para monitorear la potencia disponible en el sistema de dicho consumidor al menos a un generador de potencia y el consumo de potencia de dicho consumidor al menos a un propulsor, así como a otros consumidores de potencia en el sistema, y una unidad de posicionamiento dinámico (PD) que monitorea la posición de la embarcación e incluye una lógica de asignación de propulsión (111) que calcula la capacidad del propulsor requerida para mantener una posición predeterminada, caracterizado porque la unidad de PD está adaptada para definir un margen aceptable para las variaciones en dicha posición con relación a la posición predeterminada y comunicar esto a dicho control de carga del consumidor (113), y dicho control de carga del consumidor (113) está adaptado para ajustar la potencia proporcionada a dicho propulsor para compensar las variaciones de carga de otros consumidores en la distribución de potencia con el fin de reducir las variaciones de carga total en función de la potencia disponible y de la posición de la embarcación con relación a dicho margen definido por la unidad de posicionamiento dinámico (PD), estando adaptado además dicho control de carga del consumidor (113) para comunicar la reducción de carga del propulsor a dicha lógica de asignación de propulsión (111), y estando adaptada la lógica de asignación de propulsión (111) para convertir la reducción de carga del propulsor en una fuerza de alimentación anticipada, dicha fuerza de alimentación anticipada se usa para calcular la capacidad requerida del propulsor.
Description
DESCRIPCIÓN
Compensación de carga dinámica
La invención es un procedimiento para reducir las variaciones de carga y frecuencia inducidas por variaciones en la carga de grandes consumidores en el sistema de distribución de potencia para una embarcación posicionada dinámicamente.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para reducir las variaciones de carga y frecuencia en el sistema de distribución de potencia de alto voltaje mientras la embarcación se controla mediante un sistema de control de posicionamiento dinámico (PD) o similar al ajustar la potencia o el par disponible para los propulsores que se controlan mediante PD de tal manera que las condiciones de mantenimiento de la estación no se socaven. La presente invención presenta una forma de vincular el control de carga y el control de posición/velocidad entre sí que nunca antes se había hecho.
Antecedentes de la invención
Un sistema de posicionamiento dinámico controla el movimiento longitudinal, transversal y de rotación de una embarcación, aparejo, barcaza o similar. Una embarcación que se controla mediante un sistema de control de PD o similar, siempre se esforzará por cumplir con una velocidad y posición ordenadas en los ejes que se controlan. El sistema de PD controla los movimientos de la embarcación por medio de propulsores, hélices y timones. Por simplicidad y sin pérdida de generalidad, usaremos el término propulsor para cualquier medio de propulsión en el resto de la descripción de la invención. El sistema de potencia más común hoy en día es el diesel eléctrico, lo que significa que los propulsores se propulsan mediante un motor eléctrico y que la potencia se proporciona mediante generadores de potencia tales como generadores diesel, celdas de combustible, turbinas de gas, motores de combustible dual, etc. La potencia se toma de una planta de potencia con muchos consumidores, donde normalmente los propulsores son los dominantes. Normalmente, la potencia se suministra a la planta de potencia mediante generadores diésel. Normalmente se requiere que un gran número de generadores diesel se conecten a la planta de potencia con el fin de mantener una frecuencia estable en la ocurrencia de variaciones de carga del consumidor de, por ejemplo, compensación de elevación, trabajo de tracción, cabrestante y grúa. Las variaciones de frecuencia pueden ser fatales para el sistema de potencia y pueden conducir a apagones, caída de los subsistemas, problemas de sincronización para los generadores que se conectarán a la red de potencia y aumento del consumo de combustible. La industria de alta mar ha deseado durante muchos años reducir el número de generadores en línea sin riesgo de variaciones de frecuencia y posibles apagones, pero no se ha proporcionado una solución sustancial para este problema. Hay varios beneficios al reducir el número de generadores en línea, tales como la reducción de emisiones de óxidos de nitrógeno, la reducción de emisiones de hollín, la reducción del consumo de combustible y la reducción del mantenimiento de los motores.
Los sistemas para manejar la carga y el suministro de potencia para compensar las variaciones de carga se conocen en el campo, tal como se ejemplifican en US2006/111855 donde la potencia puede redirigirse desde el propulsor, por ejemplo, para compensar la elevación, y en US2008/284369 donde el suministro de potencia se controla en base a la información acerca del par en los motores y, por ejemplo, las señales de un sistema de control de posicionamiento dinámico. Sin embargo, ninguno de estos aborda los problemas que ocurren debido a las interacciones entre el control de carga de la planta de potencia y el control de posición/velocidad de la embarcación.
Otro sistema de PD convencional se conoce de Raban D., "Integrated Control of Marine Electrical Power Systems (Thesis)".
La invención que se propone resuelve el problema de reducir el número de generadores en línea sin variaciones de frecuencia significativas mediante el uso del equipo normalmente instalado en una embarcación que se controla mediante PD, como se describe en las reivindicaciones adjuntas.
Por lo tanto, la invención se refiere a un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 que incluye una ley de control para el posicionamiento dinámico con el fin de mantener el estado de la embarcación dentro de los marcos de posición y velocidad dados, un procedimiento de asignación de propulsión que asigna la propulsión de modo que se mantengan los marcos de posición y velocidad dados y, un control de carga del consumidor que reduce las cargas del propulsor con el fin de compensar las variaciones de carga en otros consumidores en el sistema de distribución de potencia. La invención se describirá con más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran la invención a manera de ejemplos.
La Figura 1 ilustra el sistema de acuerdo con la invención.
La Figura 2 ilustra el control de carga del consumidor del sistema.
La Figura 3a-e ilustra la compensación de carga dinámica de acuerdo con la invención.
La invención se relaciona con un procedimiento y sistema como se ilustra en la figura 1 para el control de carga dinámica (CCD) dentro de un sistema de posicionamiento dinámico. El sistema de CCD comprende preferentemente una ley de control 110, una lógica de asignación de propulsión 111 y un control de carga del consumidor 113. El objetivo de la ley de control 110 es calcular la demanda de fuerza en cada uno de los ejes controlados con el fin de compensar las desviaciones entre la posición deseada y la velocidad recibida de la fuente 100 y la posición real de la embarcación y la velocidad recibida de un observador de estado 101. Se transmite una fuerza límite máxima a la lógica de asignación de propulsión 111.
Además, una optimización de la asignación de propulsión 104 resuelve un problema de optimización no lineal con el fin de calcular la cantidad de propulsión y la dirección de cada propulsor, hélice y timón que se controla mediante el sistema de control de PD, de modo que se cumpla la demanda de propulsión en cada eje dado por el sumador de demanda de fuerza 103. También pueden aplicarse otras restricciones para el problema de optimización, por ejemplo, al detectar el viento, la tensión, etc. 102. El objetivo del problema de minimización que se resuelve mediante la optimización de asignación de propulsión 104 es normalmente minimizar el uso total de potencia para los propulsores.
La invención requiere de una cierta cantidad de propulsores disponibles para el sistema de control de PD. En la realización preferente, se comprende al menos dos propulsores que giran libremente (propulsores azimutales) que deben estar disponibles para el CCD. Al menos un número suficiente de propulsores debe estar disponible, de modo que los propulsores restantes pueden proporcionar propulsión en todos los ejes controlados. La lógica de asignación de propulsión 111 establecerá el objetivo y las restricciones para el problema de optimización que se debe resolver mediante 104.
El objetivo del control de carga del consumidor 113 es calcular el límite de potencia para cada propulsor de manera que las variaciones de carga total se mantengan al mínimo. En un sistema de posicionamiento dinámico normal, la ley de control 110 demandará una fuerza para compensar cualquier desviación de una posición dada (o rumbo) y un punto de ajuste de velocidad (o tasa de giro). En la presente invención se implementa un margen de tolerancia para las desviaciones de modo que las desviaciones tienen que estar fuera del margen antes de que el controlador demande un empuje de compensación, o la posición dentro del margen puede usarse para decidir la fuerza aplicada necesaria.
También puede haber un número de márgenes con diferentes tamaños y, por lo tanto, a partir de los tamaños de los márgenes calculados para la desviación de posición y velocidad, calculamos un límite de desviación de fuerza aceptable. Esto se alimenta de la lógica de asignación de propulsión 111.
Además, puede usarse una fuente de comando de compensación de carga dinámica 105 para proporcionar un límite de CCD deseado a la lógica de asignación de propulsión 111. La planta de potencia 106 en la figura 1 se conecta al control de carga del consumidor y también proporciona información acerca de la capacidad de potencia adicional y la frecuencia de los generadores. La planta de potencia también puede comprender medios para aumentar la capacidad al activar generadores de potencia adicionales, si la capacidad de potencia adicional es demasiado baja o la frecuencia se desvía de la frecuencia ideal del sistema.
Como se ilustra en la figura 2, los propulsores y las hélices pueden separarse preferentemente en dos grupos mediante la lógica de asignación de propulsión 111. Esta separación se realiza con el fin de tener el control de la fuerza quitada por el CCD. Un grupo se usará para la compensación de carga dinámica y el otro no. Todos los propulsores se utilizan para cumplir con la demanda de propulsión de la ley de control 110. Los propulsores del grupo que no se usan para el CCD compensarán, además, la pérdida de propulsión causada por el CCD. La cantidad de carga reducida por propulsor se envía desde el control de carga del consumidor 113 hasta la lógica de asignación de propulsión 111. Esta carga se convierte en pérdida de fuerza y la pérdida de fuerza se usa como una entrada para un filtro promedio. La salida de este filtro se usa como una fuerza de alimentación anticipada que se añade a la demanda de propulsión para los propulsores que no se usan por el CCD.
Después que la propulsión se ha asignado al propulsor en el grupo para el CCD, la carga disponible del CCD se calcula en base a la cantidad de propulsión que se asigna a los propulsores del CCD y el límite de desviación de fuerza aceptable se envía de 110 a 111. La carga disponible del c Cd se envía al control de carga del consumidor 113. Entonces, el control de carga del consumidor 113 limitará la carga en el motor del propulsor normalmente mediante la limitación directa de potencia o par o mediante otros medios de control.
La Figura 3a ilustra el sistema conocido a la izquierda mediante el uso de un sistema de PD que tiene un sistema de asignación de propulsores y un control de carga del consumidor, donde la compensación de elevación afecta la carga y la frecuencia de los generadores de potencia directamente. En la figura 3b el sistema de acuerdo con la invención se proporciona con la compensación de carga dinámica que mantiene la posición de la embarcación en relación con el margen disponible calculado con el fin de mantener el funcionamiento estable y eficiente de la planta de potencia en el asignador de propulsión 111, y que controla el manejo de la carga actual y la distribución de potencia en el control de carga del consumidor 113, por lo tanto, se obtiene una carga dinámica en los motores del propulsor 107.
En las curvas de la figura 3c que ilustra la técnica conocida, la curva inferior ilustra una situación con una compensación periódica de elevación (curva inferior). La carga del propulsor se mantiene a un nivel constante, lo que conduce a una variación correspondiente de la carga total en el sistema (curva superior).
La Figura 3d muestra una situación correspondiente a la situación de la Figura 3c, mediante el uso de la presente invención. Como se ve, la carga del propulsor se reduce en la dirección opuesta, por lo que, se mantiene la carga total constante. La Figura 3e ilustra los cambios de frecuencia correspondientes como respuesta a la compensación de elevación cuando se excede la capacidad de carga en un sistema de acuerdo con la técnica conocida, y la frecuencia constante de 60 Hz en el sistema de acuerdo con la invención.
Para resumir, la invención se refiere a un sistema para reducir las variaciones de carga y frecuencia en la distribución de potencia de una embarcación posicionada dinámicamente. El sistema que comprende un control de carga del consumidor se conecta al menos a un generador de potencia y al menos a un propulsor, el control de carga del consumidor se adapta para monitorear la potencia disponible en el sistema de dicho consumidor al menos a un generador de potencia y el consumo de potencia de dicho consumidor al menos a un propulsor, así como otros consumidores de potencia en el sistema, y una unidad de posicionamiento dinámico (PD) que monitorea la posición de la embarcación al calcular la capacidad requerida del propulsor para mantener una posición predeterminada.
El control de carga del consumidor y la unidad de PD se implementa normalmente en sistemas de control separados, pero pueden fusionarse en un sistema de control común si corresponde. La unidad de PD se adapta para definir un margen aceptable para las variaciones en dicha posición y velocidad con relación a la posición y velocidad predeterminadas, y dicho control de carga del consumidor se adapta para ajustar la potencia proporcionada a dicho propulsor con el fin de reducir las variaciones de carga total en función de la potencia disponible y a la posición de la embarcación con relación a dicho margen. El margen especifica una holgura tolerable que depende del equipo instalado y el funcionamiento de la embarcación.
El sistema comprende potencia disponible que tiene una variación esencialmente periódica. El sistema se adapta para analizar las variaciones y, por lo tanto, ajustar dicha posición de la embarcación dentro de dicho margen al proporcionar un empuje de compensación con el fin de evitar una desviación de la posición estática. El análisis incluye una etapa donde la cantidad de carga reducida por propulsor se envía desde el control de carga del consumidor 113 hasta la lógica de asignación de propulsión 111. Esta carga se convierte en pérdida de fuerza y la pérdida de fuerza se usa como una entrada para un filtro promedio. La salida de este filtro se usa como una fuerza de alimentación anticipada que se añade a la demanda de propulsión para uno de los al menos un propulsor o propulsores adicionales.
El sistema puede adaptarse para cortar la reducción de carga realizada por el control de carga del consumidor cuando la embarcación se posiciona fuera de dicho margen con el fin de llevar la embarcación a dicho margen.
El control de carga del consumidor puede adaptarse para recibir información acerca del consumo de potencia planificado en otras unidades del sistema con el fin de mejorar el cálculo del balance de potencia en el sistema.
La unidad de PD puede adaptarse para ajustar el consumo de potencia en cada propulsor para ajustar la posición de la embarcación. El control de carga del consumidor puede adaptarse para asignar una potencia disponible a cada propulsor del sistema en base a los ajustes realizados por la unidad de PD.
Si la unidad de PD requiere una potencia para ajustar la posición en al menos un propulsor que excede la potencia disponible, puede disponerse de un aumento en la potencia para el propulsor desde el control de carga del consumidor.
El control de carga del consumidor se adapta para asignar una potencia disponible que varía en el tiempo al menos a un propulsor en base al consumo de potencia calculado en el sistema.
Claims (8)
1. Sistema para reducir las variaciones de carga y frecuencia en la distribución de potencia de una embarcación posicionada dinámicamente, el sistema que comprende
un control de carga del consumidor (113) que se conecta al menos aun generador de potencia y al menos aun propulsor (107), el control de carga del consumidor (113) está adaptado para monitorear la potencia disponible en el sistema de dicho consumidor al menos a un generador de potencia y el consumo de potencia de dicho consumidor al menos a un propulsor, así como a otros consumidores de potencia en el sistema, y
una unidad de posicionamiento dinámico (PD) que monitorea la posición de la embarcación e incluye una lógica de asignación de propulsión (111) que calcula la capacidad del propulsor requerida para mantener una posición predeterminada, caracterizado porque
la unidad de PD está adaptada para definir un margen aceptable para las variaciones en dicha posición con relación a la posición predeterminada y comunicar esto a dicho control de carga del consumidor (113), y dicho control de carga del consumidor (113) está adaptado para ajustar la potencia proporcionada a dicho propulsor para compensar las variaciones de carga de otros consumidores en la distribución de potencia con el fin de reducir las variaciones de carga total en función de la potencia disponible y de la posición de la embarcación con relación a dicho margen definido por la unidad de posicionamiento dinámico (PD), estando adaptado además dicho control de carga del consumidor (113) para comunicar la reducción de carga del propulsor a dicha lógica de asignación de propulsión (111), y estando adaptada la lógica de asignación de propulsión (111) para convertir la reducción de carga del propulsor en una fuerza de alimentación anticipada, dicha fuerza de alimentación anticipada se usa para calcular la capacidad requerida del propulsor.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha potencia disponible tiene una variación esencialmente periódica, estando adaptado el sistema para analizar las variaciones y, por lo tanto, ajustar dicha posición de la embarcación dentro de dicho margen al proporcionar un empuje de compensación con el fin de evitar una desviación de posición estática.
3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema puede adaptarse para cortar la reducción de carga realizada por el control de carga del consumidor cuando la embarcación se posiciona fuera de dicho margen con el fin de llevar la embarcación a dicho margen.
4. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho control de carga del consumidor está adaptado para recibir información acerca del consumo de potencia planificado en otras unidades del sistema.
5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la unidad de PD está adaptada para ajustar el consumo de potencia en cada propulsor para ajustar la posición de la embarcación, y el control de carga del consumidor está adaptado para asignar una potencia disponible a cada propulsor en el sistema.
6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la unidad de PD, si la potencia requerida para ajustar la posición en al menos un propulsor excede la potencia disponible, solicita un aumento de la potencia disponible para el propulsor desde el control de carga del consumidor.
7. Sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el control de carga del consumidor está adaptado para asignar una potencia disponible que varía en el tiempo al menos a un propulsor.
8. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la reducción de carga del propulsor se convierte en pérdida de fuerza, la pérdida de fuerza se usa como una entrada a un filtro promedio, y una salida de dicho filtro promedio se usa como dicha señal de alimentación anticipada.
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