JP2017023000A

JP2017023000A - 改善された効率および動的性能のためのハイブリッド発電プラント

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Publication number: JP2017023000A
Application number: JP2016213556A
Authority: JP
Inventors: ピーターケネスブルゴーエドワード; Peter Kenneth Bourgeau Edward
Original assignee: Transocean Sedco Forex Ventures Ltd
Current assignee: Transocean Sedco Forex Ventures Ltd
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-01-26
Also published as: AP2013006694A0; JP2018085924A; EP2583368B1; US20130119761A1; WO2011159589A1; US20200185915A1; AU2011267943B2; US9444252B2; US20220029417A1; ZA201209656B; JP2013529057A; US10389113B2; US20110309677A1; NZ622064A; NZ603778A; CA2800128A1; US20160352099A1; CN102939697B; JP2016049017A; MX2012014737A

Abstract

【課題】改善された効率および動的性能のためのハイブリッド発電プラントの提供。
【解決手段】ハイブリッド発電プラントは、電力負荷の瞬間的振幅に関わらず、発電機にかかる実質的に一定の負荷を特徴とする。電力負荷の短期変化は、キャパシタ、バッテリ、レジスタ、またはそれらの組み合わせ等のＤＣ構成要素によって対処される。レジスタは、発電プラントの負荷が余剰電力を生成している時、電力を消費するために使用される。キャパシタは、電力を貯蔵し、発電プラント内の負荷が追加の電力を要求する時、送達するために使用される。発電機に認められるような電力負荷の急速変化の低減によって、発電機は、より高い効率での動作および排出物削減が可能となる。加えて、発電機、負荷、およびエネルギー貯蔵デバイスの組み合わせを採用する発電プラントは、動的性能を増加させる。
【選択図】図１

Description

本開示は、概して、送電ネットワークに関する。より具体的には、本開示は、１つ以上のＡＣまたはＤＣ電力発電機からのＤＣ電力システムを動作させることに関する。さらにより具体的には、本開示は、ほぼ一定の負荷を発電機に提供することによって、ＤＣバスに接続される時のＡＣ発電機の効率を改善することに関する。

送電ネットワークは、ＡＣシステム、ＤＣシステム、または２つの組み合わせから成ることができる。ＡＣ電力ネットワークは、従来、世界中で使用されている。しかしながら、ＤＣ電力ネットワークは、ある利点を有する。ＤＣ電力ネットワークは、電力システムにリアクタンスを導入しないため、設計および実装がより容易である。発電機からのより高い効率は、実電力のみ伝送されるため、ＤＣシステムにおいて達成することができる。加えて、電力供給の並列化は、追加の供給または負荷がネットワーク上にもたらされる時、同期が必要とされないため、単純である。

したがって、発電機にかかる負荷の大きな振幅を経験し、信頼性のある動作を必要とする電力ネットワークでは、ＤＣシステムおよびＡＣシステムの組み合わせが有益である。そのような電力ネットワークの一実施例は、搭載推進機を動作させるための掘削基地または掘削船において見出される。掘削船は、海洋に係留されないが、海洋の所望の位置を維持するように動的に制御される。推進機は、ブレードの可変の回転速度および方位角を有することが可能なプロペラ駆動である。これらは、掘削装置の規定公差内の位置を維持するために使用される。これらの推進機は、掘削船搭載電源によって動作される。電源のいかなる故障も、掘削装置の交差から外れた船の変位につながり得る。そのような場合、掘削装置は、機械的に分断され、電源が回復し、掘削船の位置が補正された後、再連結される必要があるであろう。

信頼性のある電源を促進する方法の１つは、推進機および他の構成要素に給電するためのＤＣバスの利用である。そのような電力伝送システムは、図１に実証される。そのようなシステムでは、電源は、概して、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２等のＡＣ／ＤＣコンバータに連結されたＡＣ発電機から成る。ＡＣ／ＤＣコンバータは、ＡＣ発電機からの電力を中間ＤＣバスに与える。掘削船搭載の各モータまたは推進機ならびに中間ＤＣバスを利用する他のデバイスは、ＤＣ／ＡＣコンバータを通して、中間ＤＣバスに連結される。

図１は、複数のＡＣ電圧生成システムを種々の負荷に連結する、従来のＤＣ電圧バスを例証するブロック図である。電力システム１００は、発電機１０２を含む。発電機１０２は、アイソレータ１０６を通して、ＡＣバス１０４に連結される。アイソレータ１０６によって、発電機１０２は、使用されていない時または故障時、ＡＣバス１０４から除去可能となる。ＡＣバス１０４は、変圧器１０８に連結され、ライン１１０への伝送のための電力を調整する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２は、ライン１１０に連結され、ライン１１０にかかるＡＣ電力を中間ＤＣバス１２０への出力のためのＤＣ電力に変換する。ＤＣバス１２０に連結されるのは、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３０である。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３０は、ＤＣバス１２０にかかるＤＣ電力をほとんどのデバイスが使用するために設計されるＡＣ電力に変換する。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３０に連結されるのは、負荷が接続され得るライン１３２である。電力消散デバイス１３４は、ライン１３２に連結され、電力消散デバイス１３４は、例えば、推進機であり得る。加えて、変圧器１３５がライン１３２に連結され、負荷１３６のための電力を調整する。負荷１３６は、例えば、電球であり得る。

モータ１３４の別の実施例は、掘削基地搭載のくみ上げ機械であり得る。くみ上げ機械は、掘削ラインにおける繰り出しおよび巻き上げを行う機械であって、従来、大直径スチール製スプール、制動機、および電源を含む。掘削ラインを巻き上げるためのくみ上げ機械の動作は、船舶搭載発電機の全能力を必要とし得る。しかしながら、くみ上げ機械が電力を消費しない動作条件が存在する。逆動作において、くみ上げ機械は、重力が、掘削ラインの繰り出しを補助する間、ライン１３２に戻される電力を生成し得る。電力負荷変化は、ほぼ瞬間的に発生し得る。

発電機にかかる負荷の急速変化は、負荷によって要求される電力を生成するために、電力出力の増加を必要とする。ディーゼル発電機は、小範囲の利用可能な電力出力において、最適化された速度で燃料を消費するように設計されている。ディーゼル燃料のコストは、その寿命にわたって、ディーゼル発電機を動作させることによって引き起こされる最も高い費用である。したがって、オペレータは、燃料消費のために最適化された電力出力範囲内で発電機の動作を維持することを所望する。

次に、図２を参照すると、ディーゼル発電機のための電力出力曲線が検証される。図２は、ディーゼル発電機の動作を例証するグラフである。曲線２２０は、種々のエンジン負荷（電力出力）におけるディーゼル発電機のキログラム／キロワット時単位で燃料消費を表す。定格出力の０から１００％の範囲は、ｋｇ／（ｋｗ／時）比における変動、すなわち、燃料消費の効率を実証する。効率的に動作するために、ディーゼル発電機にかかる電力負荷の範囲２３０が維持されるべきである。負荷が増加または減少する場合、エンジン燃料消費および効率は、変化する。

燃料消費問題に加え、危険な排気を削減する、ディーゼル発電機上の除去装置は、排気量による影響が出やすい。急速に変動するエンジン電力は、排気の流速および排気の化学成分を変化させる。除去装置は、連続かつ安定排気流に最適に作用するように設計されているため、排気出力は、電力負荷が急速に変動する場合、最小限化され得る。

さらに、ディーゼル発電機の動的性能は、限定されている。すなわち、ディーゼル発電機は、ディーゼル発電機にかかる増加電力負荷に整合するために十分に急速に電力出力を増加させないことがある。従来、電力負荷の増加率が、ディーゼル発電機電力出力の増加率を超える場合、追加のディーゼル発電機が、ラインに導入されたであろう。いずれのディーゼル発電機も、効率的に動作せず、電力負荷がピークに達しても、燃料消費の増加および高速能力をもたらさない。

次に、図３を参照すると、発電機および電力負荷が、従来の発電プラントでは、検証されるであろう。図３は、従来の発電プラント３００の電力分布を例証するブロック図である。発電プラント３００は、ＡＣライン３０６を通して、配電盤３０８に連結されたＡＣ発電機３０２を含む。配電盤３０８は、複数の負荷に連結される。例えば、典型的船舶および掘削負荷は、ＡＣライン３１０によって、配電盤３０８に連結された電力消散デバイス３１２によって表される。加えて、配電盤３０８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３１８に連結される。ＡＣ／ＤＣコンバータ３１８は、ＡＣライン３１６およびＤＣライン３２０に連結される。追加の負荷は、ＤＣライン３２０に連結され得る。例えば、照明３２２が、ＤＣライン３２０またはＤＣ／ＡＣコンバータ３２４に連結され得る。ＤＣ／ＡＣコンバータ３２４は、電力消散デバイス３２６等の追加のＡＣ負荷に連結する。電力消散デバイス３２６は、前述のようなくみ上げ機械またはモータであり得る。負荷３１２、３２２、３２６の各々は、異なる電力負荷をＡＣ発電機３０２に対して生じる。次に、ＡＣ発電機３０２に及ぼす影響が、検証されるであろう。

図４Ａから４Ｅは、図３等の従来の発電プラント内の電力消費を例証するグラフである。図４Ａのライン４０２は、電力消散デバイス３１２における電力消費を示す。電力消散デバイス３１２等の船舶負荷は、ＡＣ発電機３０２にかかる、数時間等の長期間にわたる、一定の負荷として動作する。ライン４０２は、電力の消費を示す、正値である。図４Ｂのライン４０４は、電力消散デバイス３２６における電力消費を示す。電力消散デバイス３２６等のくみ上げ機械は、ＡＣ発電機３０２にかかる、ミリ秒等、急速に変化し得る、可変負荷として動作する。ライン４０４は、負荷が、ある時に、電力を消費し、別の時に、電力を産生することを示す、正値と負値との間を変動する。図４Ｃのライン４０６は、照明３２２における電力消費を示す。照明３２２は、ＡＣ発電機３０２にかかる、数時間等の長期間にわたる、一定の負荷として動作する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ３１８を通して転送される総電力は、ライン４０４をライン４０６に追加することによって表され、図４Ｄのライン４０８に示される。ライン４０８は、ＤＣライン３２０の時間に対する総電力消費である。ＡＣ発電機３０２によって送達される総電力は、図４Ｅのライン４１０に示され、ライン４０８、４０２の合計である。従来の発電プラント３００では、電力ＡＣ発電機３０２によって送達される電力は、時間で変動する。これは、非効率的燃料消費および不良排気除去を含む、前述のようなＡＣ発電機３０２によって呈される、望ましくない質につながる。

したがって、実質的に一定の負荷をＡＣ発電機に対して生じ、動的性能を増加させる発電プラント設計の必要性が存在する。

発電プラントは、ＡＣ発電機と、ＡＣ発電機およびＤＣバスに連結されたＡＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣバスに連結されたスイッチとを含む。発電プラントはさらに、スイッチに連結されたアクティブ電力補償システムを含む。アクティブ電力補償システムは、発電プラント内の電力負荷変動を低減させる。スイッチは、ＤＣ／ＤＣコンバータを含み得る。アクティブ電力補償システムは、電力消費デバイスを含み得る。電力消費デバイスは、レジスタであり得る。発電プラントはまた、電力貯蔵デバイスを含み得る。電力貯蔵デバイスは、ウルトラキャパシタを備えている。ウルトラキャパシタは、１つ以上のマイクロコントローラに連結され得る。１つ以上のマイクロコントローラは、ウルトラキャパシタを調節し得る。電力貯蔵デバイスは、バッテリまたは回転機械を含み得る。

発電機にかかる電力負荷の変動を低減させる方法は、発電機にかかる電力負荷が、第１のレベルより低い間、発電機と電力消費デバイスとの間で電力をルーティングすることを含む。電力消費デバイスは、抵抗要素を含み得る。第１のレベルは、部分的に、発電機の燃料効率に基づき得る。

発電機を有する発電プラントにかかる電力負荷の変動を低減させる方法は、発電プラントにかかる電力負荷が、第１のレベルより低い間、発電機とエネルギー貯蔵デバイスとの間で電力をルーティングすることを含む。エネルギー貯蔵デバイスは、発電機によって提供されるエネルギーを貯蔵する。エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１つのウルトラキャパシタを含み得る。エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１つのバッテリを含み得る。第１のレベルは、部分的に、発電機の燃料効率に基づき得る。方法はまた、発電プラントにかかる電力負荷が、第２のレベルより高い間、発電機と電力貯蔵デバイスとの間で電力をルーティングすることを含み得る。第２のレベルは、第１のレベルより高くてもよい。エネルギー貯蔵デバイスは、電力を発電プラントに送達し得る。第２のレベルは、部分的に、発電機の燃料効率に基づいて選択され得る。方法はさらに、発電プラントにかかる電力負荷が、第３のレベルより低い間、発電機と電力消費デバイスとの間で電力をルー
ティングすることを含む。第３のレベルは、第１のレベルより低くてもよい。第３のレベルは、部分的に、エネルギー貯蔵デバイスの能力に基づいて選択され得る。

発電プラントは、発電プラントの電力負荷を満たすための電力を生成する手段を含む。発電プラントはまた、発電プラントの電力負荷の変動を低減させる手段を含む。変動を低減させる手段は、エネルギーを消費する手段を含み得る。変動を低減させる手段は、エネルギーを貯蔵する手段を含み得る。

前述は、以下の発明を実施するための形態が、より理解され得るために、本開示の特徴および技術的利点を敢えて広義に概略している。追加の特徴および利点は、以下に説明され、本開示の請求項の主題を形成する。開示される概念および具体的実施形態は、本開示の同一目的を実施するために、他の構造を修正または設計するための基礎として、容易に利用され得ることは、当業者によって理解されるはずである。また、そのような均等物構造が、添付の請求項に記載されるように、本開示の技術から逸脱しないことは、当業者によって認識されるはずである。さらなる目的および利点とともに、動作のその編成および方法の両方に関する、本開示の特色と考えられる新規特徴は、付随の図面と併せて検討される時、以下の説明からより理解されるであろう。しかしながら、図の各々は、例証および説明の目的のみのために提供され、本開示の限定の定義として意図されないことを明示的に理解されたい。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
発電プラントであって、
ＡＣ発電機と、
前記ＡＣ発電機およびＤＣバスに連結されたＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣバスに連結されたスイッチと、
前記スイッチに連結されたアクティブ電力補償システムと
を備え、
前記アクティブ電力補償システムは、前記発電プラント内の電力負荷変動を低減させる、発電プラント。
（項目２）
前記スイッチは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備えている、項目１に記載の発電プラント。（項目３）
前記アクティブ電力補償システムは、前記発電プラントにかかる負荷が低下する場合に電力を消費するための電力消費デバイスを備えている、項目１に記載の発電プラント。
（項目４）
前記電力消費デバイスは、レジスタである、項目３に記載の発電プラント。
（項目５）
前記アクティブ電力補償システムは、前記発電プラントにかかる負荷が増加する場合にエネルギーを提供するための少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスをさらに備えている、項目３に記載の発電プラント。
（項目６）
前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスは、ウルトラキャパシタ、キャパシタ、バッテリ、およびフライホイールのうちの少なくとも１つを備えている、項目５に記載の発電プラント。
（項目７）
前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスは、１つ以上のマイクロコントローラに連結され、前記１つ以上のマイクロコントローラは、前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスを調節する、項目６に記載の発電プラント。
（項目８）
発電プラント内の発電機にかかる電力負荷の変動を低減させる方法であって、
前記発電機にかかる電力負荷が第１のレベルより低い間、前記発電機と少なくとも１つの電力消費デバイスとの間で電力をルーティングすることにより、前記発電機の実質的に一定の電力出力を維持することを含む、方法。
（項目９）
前記少なくとも１つの電力消費デバイスは、抵抗要素、可変抵抗要素、および水制動機のうちの少なくとも１つを備えている、項目８に記載の方法。
（項目１０）
前記第１のレベルは、部分的に、前記発電機の燃料効率に基づく、項目８に記載の方法。
（項目１１）
発電プラント内の発電機にかかる電力負荷の変動を低減させる方法であって、
前記発電機にかかる電力負荷が第１のレベルより高い間、エネルギー貯蔵デバイスと前記発電機との間で電力をルーティングすることを含み、
前記エネルギー貯蔵デバイスは、エネルギーを前記発電プラントに提供することにより、前記発電機の実質的に一定の電力出力を維持する、方法。
（項目１２）
前記エネルギー貯蔵デバイスは、ウルトラキャパシタ、キャパシタ、バッテリ、およびフライホイールのうちの少なくとも１つを備えている、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記第１のレベルは、部分的に、前記発電機の燃料効率に基づく、項目１１に記載の方法。
（項目１４）
前記発電プラントにかかる電力負荷が、第２のレベルより低い間、前記発電機と前記エネルギー貯蔵デバイスとの間で電力をルーティングすることをさらに含み、前記第２のレベルは、前記第１のレベルより低く、前記エネルギー貯蔵デバイスは、前記発電プラントからのエネルギーを貯蔵することにより、前記発電機の実質的に一定の電力出力を維持する、項目１１に記載の方法。
（項目１５）
前記第２のレベルは、部分的に、前記発電機の燃料効率に基づいて選択される、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記エネルギー貯蔵デバイスのエネルギー能力が実質的にフルである間、前記発電機と電力消費デバイスとの間で電力をルーティングすることをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
発電プラントであって、
前記発電プラントの電力負荷を満たす電力を生成する手段と、
前記発電プラントの電力負荷の変動を低減させる手段と
を備えている、発電プラント。
（項目１８）
前記変動を低減させる手段は、電力を消費する手段を備えている、項目１７に記載の発電プラント。
（項目１９）
前記変動を低減させる手段は、エネルギーを貯蔵する手段をさらに備えている、項目１８に記載の発電プラント。

次に、本発明のより完全なる理解のために、付随の図面と関連して検討される、以下の説明を参照する。

図１は、複数のＡＣ電圧生成システムを種々の負荷に連結する、従来のＤＣ電圧バスを例証するブロック図である。図２は、ディーゼル電力発電機の動作を例証するグラフである。図３は、従来の発電プラント上の電力分布を例証するブロック図である。図４Ａ〜４Ｅは、図３等の従来の発電プラント内の電力消費を例証するグラフである。図５は、一実施形態による、再生エネルギーを消費するための電力消散デバイスを伴う例示的発電プラント上の電力分布を例証するブロック図である。図６Ａ〜６Ｆは、一実施形態による、再生エネルギーを消費するためのレジスタを伴う例示的発電プラント内の電力消費を例証するグラフである。図７は、一実施形態による、アクティブ電力補償を伴う例示的発電プラント上の電力分布を例証するブロック図である。図８Ａ〜８Ｇは、一実施形態による、アクティブ電力補償を伴う例示的発電プラント内の電力消費を例証するグラフである。図９Ａ〜９Ｇは、一実施形態による、アクティブ電力補償を伴う例示的発電プラントと、能力限定エネルギー貯蔵デバイスにおける電力消費を例証するグラフである。図１０は、一実施形態による、例示的アクティブ電力補償システムを例証するブロック図である。

発電プラント内の発電機にかかる負荷の変動を低減させることは、電力負荷が変わりやすい場合に、短時間の間、電力を消散させるデバイスを追加することによって達成され得る。本配置では、発電機は、電力消散デバイスが、いくつかの負荷によって生成される電力を除去する間、より高い出力で動作を継続可能であり得る。負荷によって生成されるエネルギーを除去するための電力消散デバイスを伴わない場合、発電機は、電力出力を低減させ、他の負荷に、再生電力を吸収させるであろう。

図５は、一実施形態による、再生エネルギーを消費するための電力消散デバイスを伴う例示的発電プラント上の電力分布を例証するブロック図である。ハイブリッド発電プラント５００は、ＡＣライン５０６を通して、配電盤５０８に連結されたＡＣ発電機５０２を含む。配電盤５０８は、ＡＣライン５０６およびＡＣライン５１０に連結される。電力消散デバイス５１２は、ＡＣライン５１０に連結される。電力消散デバイス５１２は、例えば、船舶負荷を表し得る。配電盤５０８はまた、ＡＣライン５１６を通して、ＡＣ／ＤＣコンバータ５１８に連結される。ＡＣ／ＤＣコンバータ５１８は、電力をＤＣライン５２０に提供する。照明５２２は、ＤＣライン５２０に連結する。加えて、ＤＣ／ＡＣコンバータ５２４は、電力消散デバイス５２６およびＤＣライン５２０に連結される。電力消散デバイス５２６は、前述のように、くみ上げ機械であり得る。加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３２は、電力消散デバイス５３４をＤＣライン５２０に連結する。電力消散デバイス５３４は、エネルギーを消費可能な任意のデバイスであり得る。例えば、電力消散デバイス５３４は、レジスタ、可変レジスタ、水制動機、または前述のデバイスの組み合わせであり得る。次に、負荷５１２、５２２、５２６、５３４からのＡＣ発電機５０２への電力需要が、検証されるであろう。

図６を参照すると、ハイブリッド発電プラント５００上の種々の場所における負荷が、検証される。図６Ａから６Ｆは、一実施形態による、再生エネルギーを消費するためのレジスタを伴う例示的発電プラント内の電力消費を例証するグラフである。図６Ａのライン６０２は、電力消散デバイス５１２における電力消費を示す。電力消散デバイス５１２等の船舶負荷は、発電プラントにかかる、長期間にわたる、一定の負荷として、動作する。図６Ｃのライン６０６は、照明５２２における電力消費を示す。照明５２２は、ハイブリ
ッド発電プラント５００にかかる、長期間にわたる、一定の負荷として、動作する。図６Ｂのライン６０４は、電力消散デバイス５２６における電力消費を示す。電力消散デバイス５２６等のくみ上げ機械は、数ミリ秒間隔程度の短時間に伴って、急速に変動する、電力負荷を有する。電力消散デバイス５２６の場合、電力負荷は、ある時は、正値であって、別の時は、負値である。ライン６０４の正部分の間、電力消散デバイス５２６は、電力を消費し、ライン６０４の負部分の間、電力消散デバイス５２６は、電力を発電プラントに送達する。

電力消散デバイス５２６が、電力をハイブリッド発電プラント５００に送達している間、ＡＣ発電機５０２は、電力出力を低減させ、再生電力に対処するであろう。前述のように、ＡＣ発電機５０２は、その電力出力が低減されるか、または急速に変化すると、効率を損失する。したがって、電力消散デバイス５３４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３２によってオンに切り替えられ、ＤＣライン５２０上の余剰電力を消費し得る。これによって、ＡＣ発電機５０２は、ほぼ一定の電力出力で動作を継続可能となる。図６Ｄのライン６０８は、電力消散デバイス５３４による電力消費を示す。ライン６０８は、電力消散デバイス５３４が、電力の消費のみ可能であるため、正値である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５３２は、追加の電力消費をハイブリッド発電プラント５００に追加することが有利となるであろう時に、オンに切り替えられる。一実施形態によると、ライン６０８は、ライン６０４が負値の間、ライン６０４と実質的に等しい規模の電力消費を表す。したがって、電力消散デバイス５３４は、電力消散デバイス５２６によって生成される電力を消費する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５３２は、ハイブリッド発電プラント５００にかかる他の負荷の条件に応じて、より長い時間またはより短い時間の間、オンに切り替えられ得る。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５１８を通して転送される総電力は、図６Ｅのライン６１０によって示される。ライン６１０は、ライン６０４、６０６、６０８の合計である。ＡＣ発電機５０２によって送達される総電力は、図６Ｆのライン６１２によって示される。ライン６１２は、ライン６１０、６０２の合計である。ライン６１２は、ハイブリッド発電プラント５００にかかる負荷が、電力消散デバイスが実装されない、図４Ｅのライン４１０のものより狭い範囲に制限されることを示す。例えば、ライン６１２は、１ＭＷの最小値を有する一方、ライン４１０は、０ＭＷの最小値を有する。電力消散デバイス５３４およびＤＣ／ＤＣコンバータ５３２の追加は、ハイブリッド発電プラント５００内の負荷のうちの１つが、電力を生成する時に、ＡＣ発電機５０２の電力出力低下を限定する。ＡＣ発電機５０２の最も非効率的動作範囲は、低電力出力時であって、したがって、ハイブリッド発電プラント５００内のＡＣ発電機５０２の効率は、ＡＣ発電機５０２を低電力負荷で動作させないことによって改善される。

発電プラントは、負荷によって生成されるエネルギーが、消散される代わりに、貯蔵され、後に、電力需要が増加する時に使用され得る場合、効率を増加するようにさらに適合され得る。その結果、発電プラントにかかる負荷の増加は、貯蔵されたエネルギーの放電をもたらし、ＡＣ発電機がほぼ一定のエンジン電力負荷で継続して動作することを可能にするであろう。発電プラント内の条件に応じて、エネルギーを貯蔵し、エネルギーを送達するためのシステムは、アクティブ電力補償システムと称される。

図７は、一実施形態による、アクティブ電力補償を伴う例示的発電プラント上の電力分布を例証するブロック図である。ハイブリッド発電プラント７００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４２を通して、ＤＣライン５２０に連結されたエネルギー貯蔵デバイス７４４を含む。エネルギー貯蔵デバイス７４４は、追加の電力が、ＤＣライン５２０に送達されるべき時、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４２によって、オンに切り替えられ得る。エネルギー貯蔵デバイス７４４は、エネルギーが、エネルギー貯蔵デバイス７４４によって貯蔵され得るように、余剰電力が、ＤＣライン５２０に送達される時にもオンに切り替えられ得る。エ
ネルギー貯蔵デバイス７４４は、バネ張力、燃料電池、フライホイール、キャパシタ、可変キャパシタ、ウルトラキャパシタ、バッテリ、または前述のデバイスの組み合わせを含むが、それらに限定されない、任意のエネルギー貯蔵デバイスであり得る。エネルギー貯蔵デバイス７４４に加え、ハイブリッド発電プラント７００は、一実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３２に連結された電力消散デバイス５３４も含み得る。

次に、図８を参照すると、種々の場所において、ハイブリッド発電プラント７００にかかる負荷が、検証されるであろう。図８Ａから８Ｇは、一実施形態による、アクティブ電力補償を伴う例示的発電プラント内の電力消費を例証するグラフである。図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃのそれぞれのライン６０２、６０４、６０６は、図６のものと同じである。図８Ｅのライン８０９は、エネルギー貯蔵デバイス７４４の電力負荷を示す。ライン８０９は、ライン６０４と実質的に同一規模であるが、反対極性を有する。ライン８０９は、ライン６０４の鏡像である。エネルギー貯蔵デバイス７４４は、余剰電力生成の間、エネルギーを貯蔵し、電力生成欠乏の間、エネルギーを送達する。その結果、ＡＣ発電機５０２にかかる電力負荷の変動は、低減される。低減は、エネルギー貯蔵デバイス７４４が、電力消散デバイス５２６の間、電力を消費し、ハイブリッド発電プラント７００に再びその電力を送達する結果である。図８Ｄのライン８０８は、電力消散デバイス５３４にかかる電力負荷を示す。ハイブリッド発電プラント７００内のＡＣ／ＤＣコンバータ５１８における電力負荷は、図８Ｆのライン８１０によって示される。ライン８１０は、ライン８０８、８０９、６０６、６０４の合計であって、実質的に一定の値である。図８Ｇのライン８１２は、ＡＣ発電機５０２にかかる総電力負荷を示し、ライン８１０、６０２の合計であって、また、ほぼ一定の値である。

したがって、エネルギー貯蔵デバイス７４４の使用は、ＡＣ発電機５０２にかかる可変電力負荷の影響を低減させる。エネルギー貯蔵デバイス７４４は、電力消散デバイス５２６の電力負荷およびハイブリッド発電プラント７００内の他の負荷の変化に適合し得る。ＡＣ発電機５０２にかかるほぼ一定の電力負荷によって、ＡＣ発電機５０２の最も効率的動作領域における継続動作が可能となる。加えて、エネルギー貯蔵デバイス７４４は、ハイブリッド発電プラント７００の動的性能を増加させる。ＡＣ発電機５０２は、電力負荷の増加に応答して、電力負荷の増加に整合するために十分に迅速に出力を増加可能でなくてもよい。エネルギー貯蔵デバイス７４４は、電力負荷増加に対して、より短い応答時間を有し、ＡＣ発電機が出力を増加させ、ハイブリッド発電プラント７００にかかる電力負荷に整合させる間、追加の電力を送達し得る。一実施形態によると、エネルギー貯蔵デバイス７４４を有する、ハイブリッド発電プラント７００の改善された動的性能によって、実質的に一定の電力出力のままであることが可能となる。

電力消散デバイス５３４は、一実施形態では、電力消散デバイス５２６による電力生成がエネルギー貯蔵デバイス７４４の能力を超える場合、電力を消費するために使用される。図９Ａから９Ｇは、一実施形態による、アクティブ電力補償を伴う例示的発電プラントと、能力限定エネルギー貯蔵デバイスにおける電力消費を例証するグラフである。図９Ｅのライン９０９は、エネルギー貯蔵デバイス７４４における電力を表す。一実施形態によると、エネルギー貯蔵デバイス７４４は、１メガジュールのエネルギー能力を有する。ライン６０４の電力消費の間、ライン９０９は、エネルギー貯蔵デバイス７４４が、電力を提供していることを示す、負値である。ライン６０４の電力生成の間、ライン９０９は、エネルギー貯蔵デバイス９４４が、電力を貯蔵していることを示す正値である。エネルギー貯蔵デバイス７４４が、時間ｔ_２において、最大エネルギー能力に到達するのに伴って、電力消散デバイス５３４は、ＡＣ発電機５０２にかかる実質的に一定の負荷を維持するために、負荷５２６からの再生電力の吸収に関与するであろう。エネルギー貯蔵デバイス７４４の実際のエネルギー能力は、実証される実施形態と異なり得る。図９Ｄのライン９０８は、エネルギー貯蔵デバイス７４４が、ほぼ満杯である時間の部分の間、電力消散デ
バイス５３４が、電力を消費することを例証する。その結果、配電盤５０８の合計は、図８と同一電力負荷をもたらす。

図１０は、一実施形態による、例示的アクティブ電力補償システムを例証するブロック図である。アクティブ電力補償システム１０００は、エネルギーを貯蔵し、ハイブリッド発電プラント７００に送達するために採用され得る。入力ライン１０１２は、アクティブ電力補償システムを発電プラントに接続するために使用される。アクティブ電力補償システム１０００は、電力貯蔵デバイスのいくつかの列１０３４を含む。各列１０３４は、エネルギー貯蔵デバイス１０４２を含む。エネルギー貯蔵デバイス１０４２は、例えば、ウルトラキャパシタ、キャパシタ、バッテリ、またはフライホイールであり得る。エネルギー貯蔵デバイス１０４２は、直列に積層され、所望の電圧を得、列１０３４では、所望の電流または最適エネルギー密度を得る。エネルギー貯蔵デバイス１０４２は、充電および放電活動を調節するために、マイクロコントローラ１０４４によって制御される。例えば、マイクロコントローラ１０４４は、欠陥または損傷電力貯蔵デバイス１０４２を列１０３４から切断し得る。

船舶負荷を含む、掘削船のためのハイブリッド発電プラントの実施例は、前述の実施形態に示される。しかしながら、開示されるような発電プラントは、いくつかの他の用途で使用するために適合され得る。加えて、発電プラントは、ＡＣまたはＤＣ発電機および負荷を含み得る。ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣ、およびＤＣ／ＤＣコンバータは、上図に示されるように、一方向または双方向であり得る。当業者は、特定の発電プラントの負荷構成および特性（すなわち、ＤＣ負荷またはＡＣ負荷）に応じて、例えば、ＤＣ／ＡＣコンバータに対してＡＣ／ＤＣ等、代用可能であろう。

本開示およびその利点が、詳細に説明されたが、添付の請求項によって定義されるように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更、代用、および改変を行うことができることを理解されたい。さらに、本願の範囲は、明細書に説明されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が、本発明から容易に理解するであろうように、実質的に同一機能を果たす、または本明細書に説明される対応する実施形態と実質的に同一結果を達成する、現在既存のまたは後に開発される、開示、機械、製造、組成物、手段、方法、またはステップが、本開示に従って、利用され得る。故に、添付の請求項は、その範囲内に、そのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、またはステップを含むことが意図される。

Claims

図面に記載された発明。