JP6942639B2 - 動的ハイブリッド制御 - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッド船舶またはハイブリッド設備において使用される電源管理システムに関するものである。
今日、大半の最新式船舶は、ディーゼル駆動のモータ発電機装置(MGS)によって供給される電力を用いてスラスタなどの推進装置が電気的に駆動されることを意味するディーゼル発電式電力システムを使用する。ディーゼルエンジンに対する他のいくつかのMGSの代替形態は、燃料電池、ガスタービン、二元燃料エンジンおよびそれらの同様のものでよい。MGS制御システムの最も一般的な実装形態は、速度制御用の調節器と、電源管理システム(PMS)による目標値調節を伴う自動電圧制御用ユニットとを備え、または代わりに、このすべてが単一ユニットの内部で行われる。
大半の船舶は、少なくとも2つの制御システム、すなわち発電装置網または送電網のパラメータを調節する第1の制御システムおよび前記船舶の運動を調整する第2の制御システムをさらに備える。第2の制御システムは、一般的には、位置、速度および方向を含むパラメータを制御することにより、調整を達成する。より高度な船舶では、ヨー、ピッチ、ロール、上下動、傾き、激動などの運動も、個別の制御システムまたは別の制御システムによって制御され得る。
前記第1の制御システムすなわちPMSは、送電網に対する安全な運転条件を維持する。PMSの範囲内の機能は、電圧および周波数などの送電網パラメータの監視と、特定の状況に応じてMGSと消費機器を切り離す能力とを含む。PMSは、送電網の優勢な状態に応じてMGSを起動/停止してよい。送電網パラメータの細かな調整については、PMSは、待機MGSのうちの1つまたは複数を起動/停止するのではなく、動作中のMGSの負荷条件を変化させてもよい。他のPMSの機能には、送電網および消費機器に対する様々な保護および遮断器の管理が含まれ得る。
前記第2の制御システム、たとえば自動船位保持(DP)システムの機能は、一般的には速度、方向および位置などの位置決めに関連した要件を満たすための推進装置の制御を含み、たとえば船舶における上下動および傾きなどの運動を補償することによる船舶の安定性の制御をさらに含み得る。
一般的な動的シナリオでは、DPシステムは、船舶位置を維持しようとするとき、スラスタなどの様々な推進装置に命令または信号を送出して船舶パラメータを制御する。前記命令が一般的には送電網における変動をもたらし、前記変動は消費機器からの様々なエネルギー需要に関連するものである。次いで、PMSは、送電網において観測された変動に応じて発電装置のパラメータを調整しようとする。需要増に応じるために、PMSは、オンラインMGSに対する負荷を変化させてよく、または待機MGSに対して起動指令を送出してよい。MGSに対する起動指令が送出されてから、前記MGSが送電網に電力を供給し始めるまでに数秒かかる可能性がある。前記制御システムは、変動のダイナミクスおよび制御ループの遅延に応じて不安定になる可能性があり、送電網の部分的停電または全面的停電などの状況をもたらす可能性がある。そのような状況がしばしば起こるのを防止するために、システムにおける突然の過渡状態に対処するように、システムは、一般的には、たとえば部分負荷で動作中のMGSといった特定のヘッドルームを伴って運転される。MGSの部分負荷は、大きい燃料消費量ならびに汚染をもたらすので望ましくない。負荷が特定の限度を下回ることは、MGSの健全性および耐用年数期間にとって有害であり得る。
オフショア工業は、増大した周波数変動および/または電圧変動あるいは潜在的な停電のリスクなしでオンラインMGSの数を減少させることを長年にわたって望んでいる。上記で概説されたように、排気ガスの低減、燃料消費量の低減、およびエンジン整備の低減など、オンラインMGSの数を減少させることからいくつかの利益がある。送電網上の所与の全出力に関して、MGSのより大きい組を低負荷で運転するのではなく、MGSのより小さい組を高負荷で運転するのが、一般に、より経済的であって環境により優しくなる。しかしながら、送電網上の周波数変動および電圧変動などの過渡現象を扱うことができるヘッドルーム要件は、一般的には定常状態または一定負荷の動作のために必要な数よりも多くのMGSの要件を規定する。
配電システムにおける周波数変動および電圧変動を低減するためのシステムは、NO 334364に教示されている。前記システムは、送電網上の前記変動を最小化するために、予測された負荷変動のフィードフォワード信号を利用するものである。NO 334364に教示されているシステムは、MGSにおける急速な過渡現象を低減するが、MGSにおける可変負荷状態を解消するものではない。
バッテリに予備容量を貯蔵して取り出す技術は、従来技術において広く対象とされている。ハイブリッド電力システムとしても知られているそのようなシステムは、燃料消費量およびMGSからのヘッドルーム要求を低減するために、充電式バッテリと従来のMGSを組み合わせるものである。たとえば、論文「Optimized efficiency of all-electric ships by dc hybrid power systems」、Zahedi, B., et al、Journal of Power Sources (Elsevier)、Volume 255、2014年6月1日、341〜352頁には、様々な負荷条件下で燃料消費量を最小化するための最適化アルゴリズムが提案されている。この研究は、ディーゼルエンジン、同期発電機-整流器ユニット、フルブリッジ双方向コンバータ、およびエネルギー貯蔵としてのリチウムイオン電池バンクを含めることによって実施される。
論文「Possible application of Plug-in Hybrid Electric Ships」、De Bruecker, S. et al、Electric Ship Technologies Symposium、2009年、ESTS 2009、IEEE、310〜352頁は、ハイブリッド船のバッテリにエネルギーを貯蔵するための様々な選択肢を概説している。
米国特許出願公開第2011/0281478 A1号(Blumenthal)は、化石燃料消費および汚染を低減するための船舶推進用エネルギー源の組合せを説明している。提案された解決策には、充電式バッテリの使用も含まれる。
WO2009/030807 A2は、船舶における負荷応答を改善するための機構に関するものである。
NO 334364 米国特許出願公開第2011/0281478 A1号 WO2009/030807 A2 NO 20131161
「Optimized efficiency of all-electric ships by dc hybrid power systems」、Zahedi, B., et al、Journal of Power Sources (Elsevier)、Volume 255、2014年6月1日、341〜352頁 「Possible application of Plug-in Hybrid Electric Ships」、De Bruecker, S. et al、Electric Ship Technologies Symposium、2009年、ESTS 2009、IEEE、310〜352頁 D. Radanの博士論文「Integrated Control of Marine Electrical Power Systems」 Haschke et al、「On-line Planning of Time-Optimal, Jerk-Limited Trajectories」、IROS conference、Nice 2008年
前記出版物のどれも、エネルギー貯蔵要素すなわちバッテリと、発電機すなわちMGSとの間の電力およびエネルギーの分配を計画し、かつ制御するためのシステムまたは方法を教示していない。従来技術に固有のこの問題および他の問題は、以下の説明において概説され、付随の特許請求の範囲において明示される本発明の特徴によって解決されると示される。
本発明は、自動船位保持船舶のための船舶制御を損なうことなくハイブリッド電力分配システムにおける各電源(power supplier)の特性の利用を改善するための機構を備える、動的ハイブリッド制御システム(DHS)に関するものである。
この本文では、MGS、発電機または電源などの用語は、特に述べられていない限り、限定することなく、または一般性を損なうことなく、ディーゼル発電機(DG)、ガスタービン、二元燃料エンジンおよび燃料タイプに無関係なそれらの同様のものなどの機械デバイスを含む発電機を指すように使用される。
エネルギー貯蔵デバイス、エネルギー貯蔵ユニット、バッテリまたはキャパシタという用語は、特に述べられていない限り、限定することなく、または一般性を損なうことなく、たとえばバッテリの場合にはそれぞれ充電および放電と関連するエネルギーの貯蔵および放出によって特徴づけられる電源を指すようにさらに使用される。
本発明において提案されるシステムは、少なくとも2つの異なる電源に結合されたエネルギー制御システム(ECS)を備え、少なくとも2つの異なる電源は、DP制御システムと前記電源によって給電されるスラスタとを備えるDPシステムに対して電力を供給する。これらの電源のうち少なくとも1つが発電機であり、前記電源のうち少なくとも1つがエネルギー貯蔵デバイスである。ECSは、エネルギーの配分および流れを計画し、かつ制御するとともに、システムの様々な部分に対して給電するように適応されている。
本発明によるDP制御システムは、低周波数(LF)の、または徐々に変化する、電力およびエネルギーの需要を予測するものである。前記予測は、低速電源と高速電源の間で負荷を分担するように、ECSによって使用される。これにおいて、MGSおよびそれらの同様のものの発電機は低速電源と称されてよく、エネルギー貯蔵デバイスまたはバッテリは高速電源と称され得る。提案された用語の低速電源および高速電源はかなり質的なものであり、すなわち、特定の実施形態では、負荷に電力を供給し始めるために一般的にはほぼ数秒以上の応答時間を必要とするMGSは低速電源として分類される。別の実施形態では、適切に充電されたバッテリまたは適切に充電されたキャパシタまたはそれらの同様のものなどの電源は、負荷に対して電力をほとんど即時に供給することができるので高速電源として分類される。
従来の電源管理システムは一般的には本来反応的であり、言い換えれば、そのようなシステムは送電網パラメータの偏差を検知してから作用を開始する。重要な送電網パラメータには、一般的には電圧および周波数が含まれ、加えて、送電網に接続する発電機は位相において同期する必要がある。一般的な反応的システムでは、システムが送電網パラメータのそれぞれの公称値からの変化を検知した後、発電機を調整するための指令が送信される。送電網パラメータにおける前記偏差または過渡現象が、スラスタなど大電力消費機器に起因するものであれば、前記過渡現象は、通常は大きいものになる。このシナリオは、たとえばノルウェー特許NO 20131161に提案されているように、電源管理システムは、どうにか一時的過渡現象を無視するように命じることになり、そうしないと、発電機における不必要な過渡現象が生じる可能性があり、それによって摩耗、燃料消費量および汚染が増加して、最悪の場合には、送電網パラメータを調整するフィードバックループの安定性次第で、送電網の崩壊をもたらす。送電網に接続される大電力消費機器の数が増加するとき、この問題の複雑さが増加する。
本発明は、様々なシナリオの計画を可能にする機能を提案するものであり、近く起こる過渡現象を処理するためにあらかじめPMSを準備するばかりでなく、適切な場合は常に、本発明によって提案されたもたらされるシステムが送電網上の変動を実質的に除去するように、フィードフォワードを使用する高速電源も配備する。
D. Radanの博士論文「Integrated Control of Marine Electrical Power Systems」は、推進負荷による原動機(エンジン)に対する過大なストレスを低減するために推進負荷速度を制限することに言及しており、これは海洋産業における通常の手法であり、それによって、電気的スラスタに対して一定のスルーレート制限が設定される。さらに、Radanの論文の別の部分には、発電機の周波数変動を減衰させるための可能性の1つとして、バッテリ、キャパシタおよびそれらの同様のものなどエネルギー貯蔵デバイスが列記されている。前記文献には、たとえば加速度といった位置制御の応答が電力分配システムの応答に対してスケーリングされるように、電源の有用性に基づいて負荷ランプを適応させることが教示されていない。本発明は、今日(on date)発見されている従来技術に対して斬新な、船舶の位置制御/速度制御と負荷制御を関連づけるやり方をさらに提示するものである。
以下で、本発明を例として示している添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
異なる電源および消費機器を備える一般的な発電装置の一実施形態を示す図である。 本発明によって提案されたシステムの一実施形態を示す図である。 本発明によるフィードフォワード処理システムの一実施形態を示す図である。 本発明による、電源を適応させるフィードフォワード処理機構の一実施形態を示す図である。
図1は、この例ではディーゼル発電機(DG)装置(103)と称されるMGSなどの様々な発電機を備える一般的な発電装置のセットアップの一例を示すものであり、この特定の例ではエネルギー貯蔵デバイスはバッテリ(101)である。バッテリとの間の電力およびエネルギーの流れはコンバータ(102)によって適応される。前記コンバータ(102)は、一般的には、バッテリへ電荷を送りながら、交流(AC)タイプの信号、電流または電圧から直流(DC)の信号、電流または電圧への第1の変換を実施する。そのような第1の変換を説明する別の用語は整流である。前記コンバータ(102)は、バッテリから配電盤または送電網へ電荷を送りながら、バッテリのDC電圧から、一般的には電圧であるAC領域の信号への第2の変換も実施する。そのような第2の変換を説明する別の用語は逆変換である。本発明の一実施形態によれば、システムは、たとえば変圧器(115)または他の類似の機能を有する装置を使用することによる前記AC電圧の追加の調整を使用してよい。前記変圧器(115)は、配電盤側で、バッテリ側と比較して、より高い(ステップアップされた)AC電圧を達成するために使用され得る。同様に、同じ変圧器(115)が、バッテリ(101)を充電しながらステップダウン動作を実施し、すなわち配電盤側からバッテリ側へ電圧レベルを下げる。本発明の別の実施形態では、エネルギー貯蔵デバイス(101)はキャパシタである。本発明の代替実施形態では、システムは、バッテリ、キャパシタ、または各タイプのエネルギー貯蔵デバイスと関連した利点を利用するための類似した機能を有する他の装置の、複数の混合を利用してよい。
図1に示された例は、AC配電盤および特定のDC構成要素を備える特定の実施形態について論じているが、本発明は、システムにおいて、特定の配電盤構成またはAC領域もしくはDC領域の程度に向けて多少なりとも限定されるものではない。提案されたDHC概念は、完全DCシステムまたは他の混合のAC/DCシステムを含んでいる他のバスシステムに対して同様にうまく適応する。
一実施形態では、主配電盤は別々の部分に分割される。特に図1の例を参照して、第1の部分は主配電盤の左舷側(110)と呼ばれ、第2の部分は主配電盤の右舷側と呼ばれる。前記部分は、通常はタイブレーカ(112)を用いて結合されている。前記配電盤は、たとえば主配電盤の特定の部分における故障または保全の場合にシステムの有用性を改善するために、他の部分へさらに細分されてよい。主配電盤は、低電圧配電盤(120)に対して電力をさらに供給してよく、この場合、電圧変換は、たとえば変圧器(116)またはそれらの同様のものを使用して達成される。
主配電盤は、複数の消費機器(104)、または図1に示された例証に特に関係するスラスタに対してさらに接続される。各スラスタ(104)は、たとえばスラスタに対する電力および負荷速度の限度を設定するように使用される個々の制御モジュール(114)によって適応される。
それぞれの電源および消費機器は、個々の保護遮断器(113)によって特定の配電盤部分に結合される。前記遮断器は、たとえば故障の場合、または保全のために特定の装置を絶縁するように、必要とされるときは常に、配電盤から特定の電源または消費機器を切り離すように使用される。
図2は、本発明において提案されたような動的ハイブリッド制御ユニット(220)を備えるシステムの一実施形態を示すものである。提案されたシステムは、制御則(210)、推力配分論理(211)、推力配分最適化(212)、エネルギー制御ユニット(213)および消費機器の負荷制御(206)を含むモジュールを備える。
簡潔さのために、図2には代表的な信号名および流れしか示されていない。前記信号名は、システムにおける様々なモジュール間の信号流れを表す矢印上にラベルを付けられている。
提案された制御則モジュール(210)の範囲には、運転者またはシステムによって指定された位置および速度と、実際の船舶の位置および速度(201)の測定値の間の偏差を補償するために、たとえばPIDコントローラによって、制御される軸の各々における力要求を計算することが含まれる。制御則(210)は、エネルギー制御ユニット(213)によって計算された最大負荷ランプを表す信号値を受け取る。前記負荷ランプは、一般的にはスラスタの応答時間を制限し、したがって船舶の加速度の可能な変化すなわちジャークを制限するものである。受け取られた最大負荷ランプ値は、制御則モジュール(210)によって最大のジャーク値に変換される。前記最大のジャーク値は、負荷ランプが非常に小さい値に低下した場合にも前記コントローラが不安定にならないことを保証するために、制御則(210)によって、位置および速度のコントローラにおいて、たとえばPIDゲイン値を適応させることといったパラメータの調節に使用される。言い換えれば、制御則モジュール(210)の範囲には、コントローラの安定性を保証するように前記PIDゲイン値を監視することが含まれる。
船舶の位置または方向を変化させるために、制御則(210)は、一定のジャーク軌道を生成して、前記変化の処理中に位置および速度のコントローラによって使用される、位置、速度および加速度を含むパラメータの基準値を導出する。一般的なジャーク軌道生成器は、たとえばHaschke et al、「On-line Planning of Time-Optimal, Jerk-Limited Trajectories」、IROS conference、Nice 2008年に説明されている。軌道生成は、導出された軌道基準を船舶が辿り得ることを保証するために、軌道が作成されるとき最大のジャークを考慮に入れる。
力要求加算器モジュール(203)は、測定モジュール(202)から、風および張力(tension)を含んでいる力のリアルタイム測定値を含む入力を受け取る。推力配分最適化モジュール(212)は、力要求加算器(203)によって与えられた各軸における推力要求が満たされるように、推力量と、DP制御システムによって制御された各スラスタ、スクリューおよび方向舵の方向とを含んでいるパラメータを計算するために非線形最適化問題を解く。電力制限および除外された推力セクタなど、最適化問題に関する他の制約も当てはまり得る。推力配分最適化モジュール(212)において解かれる最小化問題に関する主要な目標の1つには、スラスタおよびスクリューなどの消費機器のための合計の電力利用を最小化することがある。推力配分論理(211)は、一般的には、推力配分最適化モジュール(212)によって解かれるべき最適化問題の目標および制約を設定する。
本発明において提示されたDHCシステムの一実施形態では、2つの最適化問題が解かれる。第1の問題は、DP制御システムによって必要とされる力の配分を含み、第1の問題が解かれると、DP制御システムによって各スラスタに指令信号が供給される。前記配分は、推力配分最適化(212)によって供給されたスラスタ指令信号における変化が最大負荷ランプ信号における変化と常に調和するように、エネルギー制御ユニット(213)によって計算された最大負荷ランプを考慮に入れる。推力配分最適化モジュール(212)によって解かれる第2の問題は、力要求加算器(203)によって推力配分論理(211)に供給された低周波数(LF)の力要求を使用する。前記LFの力要求は、推力配分最適化(212)によって各スラスタに対するLFの推力値に変換され、各スラスタについてLFの電力需要を計算するために使用される。前記LFの電力需要は、エネルギー制御ユニット(213)に送られ、MGSに対するベース負荷を計算するための基準のうちの1つとして使用される。
位置の目標値から離れてドリフトしているDP制御された船舶は、制御システムが船舶位置を位置の目標値に戻すまで、一般的には電力需要が増加することになる。DP制御システムは、たとえば予測モデルを利用することにより、それぞれの特定のドリフトについて最大の電力消費を推定し、NO 334364において明示されたように電力消費の積分を計算する。本発明の別の実施形態では、前記電力の推定は、配電を計画して実行するためにDHCにおいて使用される。本発明の別の実施形態では、前記モデルの精度を改善するために、前記予測モデルは、船舶の実際のランタイム特性に基づいて定期的に更新される。
本発明の重要な能力のうちのいくつかをさらに示すために、本発明によって達成された特徴の以下のリストが提示される。
動的容量
本発明によるシステムおよび方法では、ECS(213)は、発電装置の構成と、MGSおよびバッテリまたはキャパシタなどのエネルギー貯蔵ユニットのタイプとに対して自動的に適応し、任意の特定の瞬時において利用可能な負荷ランプの総量(kW/s)を計算する。計算された全体の負荷ランプ値はDP制御システムに送られ、推力配分最適化(212)によって供給されるスラスタ指令信号における変化が最大負荷ランプ信号における変化と常に調和するように使用される。別の実施形態では、バッテリの動的容量が、実質的にバッテリの充電/放電の速度に基づいて変化し得るので、システムは、接続されたMGSおよびバッテリユニットの特性に基づいて、動的な瞬時電力容量または利用可能な瞬時電力容量における変化を自動的に考慮に入れる。充電/放電の速度は、一般的にはバッテリの温度などの動作条件に関係する。たとえばバッテリが、その通常のC定格(C-rating)の近くまで、またはより上まで駆動されていれば、一般的にはバッテリ温度が上昇することになり、前記バッテリは、より低い電力供給率(kW/s)で動作させること、および/または高負荷運転の後のたとえば急速放電といった特定の時間にわたる最大の総放電(kW)が必要になり得る。kW/s値は、さらに送られ、追加の保護として、またはDPによって制御されない他の消費機器のために、消費機器の負荷制御(206)の内部で使用される。
本発明のさらに別の実施形態では、DP制御システムは、特定のシナリオにおいて全体の利用可能な負荷ランプ値(kW/s)が、必要とされるもの未満であると発見した場合には、DPシステムは、前記必要量からの不足を表す信号をECSモジュール(213)に通信する。本発明の別の実施形態では、ECS(213)は、DPシステムによって通信された要件を満たすために、1つまたは複数のMGSの目標値を上げるか、または待機状態の1つまたは複数のMGSに対して起動指令を送出する。
DPからの低周波数(LF)のフィードフォワード
本発明の一実施形態では、システムは、ECSにおいて、LFのフィードフォワード電力需要予測を使用して、動作中のMGSユニットのベース負荷目標値を設定する。これによって、動作中のMGSユニットの安定した負荷設定が達成される。MGSは、DPシステムにおいて、LFの気象予報および予測モデルによって補償される。可変負荷状態は、バッテリまたはキャパシタなどのエネルギー貯蔵ユニットによって吸収される。提案された特徴によれば、このシステムは、MGSユニットの目標値を移動するために、バッテリの充電状態が変化するのを待つ必要がない。したがって、このシステムは、ハイブリッド電源を採用するものを含む従来方式の反応的な性質とは対照的に、先を見越して作用するものである。このことは、本発明の、従来の非ハイブリッド方式および従来のハイブリッド方式との簡素化した比較として、次の表(Table I(表1))に要約されている。
Figure 0006942639
充電負荷の状態の制御ユニット(SLCU)
本発明の別の実施形態では、ECU(213)は、バッテリの充電状態(SOC)のフィードバック信号に基づいて計算されたMGSの特定の負荷レベルを維持する、充電負荷の状態の制御ユニット(SLCU)を含む。SLCUは、MGSシステムの全体の負荷における必要な増分を計算して、前記増分の所定の分数値を、ベース負荷モードで動作中のMGSユニットの各々のLFの目標値に加えることにより、動作中の各MGSの間で前記負荷を分配する。そのような分配の利点には、MGSユニットに対する安定した負荷設定が含まれる。本発明のさらなる一実施形態では、たとえば特定のMGSの特性に基づいて負荷設定をさらに最適化するために、動作中の1つのMGSに対して加えられる所定の分数値は、動作中の他のMGSに対して加えられる分数値とは異なるものになる。
本発明のさらに別の実施形態では、SLCUは、電力システムにおける他のすべての負荷変動にも応答し、前記増分の計算の中にこれらの負荷変動を含む。前記他の負荷変動は、一般に、DPおよび予測システム以外の消費機器に関連した負荷を指す。
本発明の一実施形態では、極端な場合、エネルギー貯蔵ユニットが瞬時負荷(kW/s)のステップを処理することができなければ、SLCUが新規の状態に適応するのを待つことなく、MGSユニットの目標値に対して、対応する超過負荷が直接加えられる。
本発明の別の実施形態では、SLCUは、DPシステムから、全体の負荷消費量を含んでいる消費電力の予報または予測に関する信号を受け取る。前記信号は、一般的には、たとえば軌道計算および天候に関連したデータに基づいて予測された、または計画された、船舶の運動を含む運動パラメータに関する。本発明のさらに別の実施形態では、前記信号は、提案されたフィードフォワード方式において使用され、SLCUの挙動を適応させる。本発明の別の実施形態では、システムは、予測または予報の精度を定期的に比較して、未来の予測または予報の精度を改善するようにDPシステムを適応させる。
高周波数のフィードフォワード、動的負荷予測(DLP)
ノルウェー特許NO 334364においてDLPシステムが導入された。本発明の別の実施形態では、高速の負荷変動または過渡現象を処理するために、DP消費機器からの短期の負荷変動が、ECS(213)からバッテリなどのエネルギー貯蔵ユニットに対して分配される。ECS(213)は、DPシステムからフィードフォワード信号を受け取り、高速の負荷の過渡現象をバッテリユニットの間で分配する。バッテリユニットは、ECS(213)から指令を受け取ると、前記高速の負荷変動に対して電力を供給し始める。MGSユニットは、ECS(213)によって設定されたベース負荷目標値に追従して、安定した負荷を保つ。提案されたシステムによれば、バッテリは将来の公称の過渡条件に対して電力を送出する準備があらかじめできており、各MGSユニットは、前記要求を満たすためにそれ自体の負荷を変化させる必要がなく、したがってMGSのベース負荷目標値において動作し続けることができる。本発明の別の実施形態では、システムは、MGSが高速の負荷の過渡現象を処理するのを防止するように、利用可能なバッテリ容量と、来たるべき負荷プロファイルの予報または予測と、天候関連のデータとに応じて、MGSのベース負荷目標値を調整する。本発明のさらに別の実施形態では、利用可能なバッテリ容量は、たとえば温度測定、充電もしくは放電のプロファイル、バッテリの運転履歴、バッテリモデルもしくはそれらの同様のもの、または特定の場合において利用可能なバッテリ容量の指標をもたらす他の測定により、定期的に推定され、または測定される。本発明のさらなる一実施形態では、システムは、前記貯蔵ユニットの寿命が最大になるようにエネルギー貯蔵ユニットまたはバッテリの動作を適応させる。本発明の別の実施形態では、システムは、特定の所定パラメータが最適化されるように、貯蔵ユニットの間で負荷を分配する。本発明の別の実施形態では、前記所定パラメータには、バッテリ寿命、最大負荷の過渡現象、コスト、平均故障間隔、燃料消費量および全体の消費電力が含まれる。
本発明によるDHCのフィードフォワード処理機構の一実施形態が図3に例示されている。フィードフォワード信号の信号処理は、2つの主要なカテゴリ、すなわち短期的フィードフォワード(301)と長期的フィードフォワード(302)に分離される。システムは、フィードフォワード信号のサブ部分、たとえば中期的フィードフォワード信号をさらに備え得るが、簡潔さのために、図3には2つのカテゴリのみが示されている。短期の信号は、たとえばほぼ2秒以下の時間フレームの範囲内に生じる事象に関連したものと定義され得る。そのような短期の事象には、DPスラスタの配分目標値の変化、MGSまたはDGのトリップ検知、およびMGSのトリップの予警告が含まれ得る。長期的フィードフォワード機構(302)は、長期的予測および監視負荷制御にも関連するものである。長期的フィードフォワードモジュール(302)は、所望のMGS負荷レベルまたはMGSのベース負荷、負荷分散モード、必要な最低のバッテリ充電レベル、および充電専用モード、ピークシェービングモードおよびアイランドモードなど、ハイブリッド動作のための特定の制御モードを含むものに関連する指令を送出する。前記モジュール(302)は、DPの動作モード、DPシステムの利得、天候および海洋活動に関連した予報、充電レベルの必要量または他の制約を含む入力を受け取る。モジュール(302)は、遮断器、MGS、および他の構成要素の状態など発電装置の設定と、負荷状態と、充電レベル、温度、またはバッテリの健全性および状態に関連した他の信号などのバッテリに関連したパラメータとを含む、発電装置に関連した信号も受け取る。
図4は本発明によるシステムの一実施形態を示し、フィードフォワード信号がMGS制御およびESU制御の内部で使用される様子が示されている。MGSに対して送出されたフィードフォワード指令がMGSコントローラ(401)によって受け取られ、前記コントローラは、受け取った指令を評価し、所望のシステム状態を達成するように内部コントローラを適応させる。MGSシステム用の前記内部コントローラは、ベース速度コントローラ、速度コントローラ、ジェットアシストコントローラ、および自動電圧調整器(AVR)を含む。前記内部コントローラはMGSの運転パラメータを適応させる。ESUに対して送出されたフィードフォワード信号は、双方向駆動ユニット(402)のコントローラによって受け取られる。前記ユニット(402)の機能には、一般的にはDCであるESU電圧と一般的にはACである発電装置電圧の間の変換、ESUの充放電制御、および利用可能な電力または電源に応じてESUに指令を送出して要求することが含まれる。前記指令は、受け取られた指令およびそれぞれのESUの状態に応じてESUを適応させるESU用コントローラ(403)によって受け取られる。
要約すると、本発明は船舶の発電装置を制御するためのシステムおよび方法である。前記発電装置は少なくとも1つの配電盤を備え、前記配電盤は遮断器などの少なくとも1つの切換えデバイスを含む。このシステムは少なくとも1つの消費機器をさらに備え、一般的な消費機器は、スラスタおよびスクリューなどの推進装置と、方向舵とを含む。前記システムは、前記配電盤に電力を供給することによってエネルギーを供給する少なくとも1つの発電機と、この配電盤に結合された少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスとをさらに含む。ここで、「結合された」という表現は、他の電気デバイスまたは構成要素が、前記エネルギー貯蔵デバイスと配電盤の間に接続され得ることを意味するものである。前記他の電気デバイスまたは構成要素は、遮断器、変圧器および電力変換装置でよい。
一般的なエネルギー貯蔵デバイスはバッテリおよびキャパシタを含む。エネルギー貯蔵デバイスは、配電盤からの過剰エネルギーを貯蔵して、前記貯蔵されたエネルギーを、配電盤を介して、前記配電盤に結合された1つまたは複数の消費機器に供給することができる。
前記発電機または複数の発電機を含む発電装置の部材、前記1つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイス、および前記1つまたは複数の消費機器は、動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットに結合されている。前記DHCユニットにより、前記発電装置の部材の各々が、前記配電盤における電力およびエネルギーの配分および流れを制御するように適応され、かつ制御され得る。たとえば、DHCユニットは、消費機器によって使用される分を超過する電力(またはエネルギー)が、バッテリなどのエネルギー貯蔵デバイスを充電するために使用されるように、1つまたは複数の発電機の目標値を上げることができる。DHCユニットは、1つまたは複数の待機状態の発電機に対して、前記待機状態の発電機が稼働開始するように起動指令を送出することがさらに可能である。同様に、適切であれば、DHCユニットは待機状態の1つまたは複数のオンライン発電機に送るべき指令を送出することができる。DHCユニットは、1つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスの充放電の速度を決定することもできる。
前記DHCユニットは、所定の発電装置および船舶に関連したパラメータを監視するための測定手段をさらに備え、前記発電装置および船舶に関連したパラメータは、力、張力、天候および海上のパラメータ、速度、加速度、方向、電圧、電流、周波数、電力、位相およびエネルギー貯蔵デバイスのパラメータを含む。前記DHCユニットは、将来に向けて変化する期間に関する発電装置の電力必要量およびエネルギー必要量を、測定手段によって監視されたパラメータを含んでいるデータと、所定のモデルと、ルックアップテーブルと、1つまたは複数の発電機、1つまたは複数のエネルギー貯蔵要素、および1つまたは複数の消費機器に関連した、予期されるエネルギー流れの傾向とに基づいて計算し、かつ予測するための計算手段も備える。前記計算手段は、前記データを記憶する、または記録するための記憶手段も備える。前記記憶手段は、たとえばハードディスク、フラッシュベースのメモリもしくはフラッシュタイプのメモリまたは記憶媒体などのデジタルメモリである。
本発明によるシステムは、1つまたは複数の発電機と、1つまたは複数のエネルギー貯蔵要素と、1つまたは複数の消費機器の間で、電力およびエネルギーを事前計画して配分するために、計算手段によって予測された前記電力必要量およびエネルギー必要量を利用する。言い換えれば、このシステムは、来たるべき事象について電力必要量のシナリオを事前計画し(それによってエネルギー必要量のシナリオも計画し)、前記シナリオを最低限の2つの異なるカテゴリへ分離するものであり、第1のカテゴリは低周波数の必要量を含み、第2のシナリオは高周波数の必要量を含む。低周波電力(またはエネルギー)の必要量は、一般的には1つまたは複数の発電機の目標値を調整するために使用され、高周波電力(またはエネルギー)の必要量は、配電盤または送電網における過渡の負荷条件が前記1つまたは複数のエネルギー貯蔵要素によって処理され得るように1つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスをあらかじめ準備するために使用される。こうすることにより、このシステムは、電圧および周波数などの送電網パラメータの変動を最小化するばかりでなく、オンライン発電機に対して比較的一定の最適負荷を維持することもできる。前記最適負荷は、前記発電機が、たとえば燃料消費量の点から効率が良いこと、および/または前記発電機における消耗摩損が最小値の近くにあること、および/または前記発電機からの排気ガスが最小値の近くにあること、といった発電機の動作領域または動作点などの基準を意味するものである。そのような基準は、発電装置の部材を適応させるため、または制御するために、システムが使用する所定の入力のうちの1つとして、システムの運転者またはユーザによって指定され得る。このシステムは、発電装置の部材の各々の最適化基準を監視し、計算し、かつ更新するために、測定手段からの測定値をさらに利用することができる。
このシステムは、それぞれの異なるシナリオについて発電装置における全体の消費電力を最小化するようなやり方で、必要なバッテリ充電、充電/放電の速度、必要なオンライン発電機の数、オンライン発電機の目標値、推力、および異なる消費機器に対して必要とされる負荷制限などのパラメータを計算し、プログラムし、かつ監視することがさらに可能である。このシステムは、前記パラメータを連続的に監視して更新し、全体の発電装置の効率よい動作を維持する。
送電網の変動が激減するので、発電機システムにおける必要量も激減する。本発明による発電機は、通常は、過渡の負荷条件を処理する必要がなく、一般的には摩耗および汚染が激減するように、また、発電装置の電圧変動および周波数変動を含む過渡現象と、前記過渡現象による前記少なくとも1つの発電機における負荷変動とを最小化するように、最適の一定負荷で動作することができる。
このシステムは、負荷制御システムと位置/速度制御システムの間で、従来のシステムに見られるように可能性として互いに対抗して動作するのではなく、協力し合うように、まれな協調をさらに達成するものである。
このシステムは、したがって、従来のシステムを上回る、いくつかの性能上の利点、コスト上の利点、および運用上の利点を達成するものである。このシステムは、必要に応じて、従来のシステムとして機能するようにも構成され得る。
101 バッテリ
102 コンバータ
103 ディーゼル発電機装置
104 消費機器
110 主配電盤の左舷側
111 主配電盤の右舷側
112 タイブレーカ
113 保護遮断器
114 制御モジュール
115 変圧器
116 変圧器
120 低電圧配電盤
200 動的位置指令源
201 船舶の位置および速度
202 測定モジュール
203 力要求加算器モジュール
204 発電装置/PMS
205 スラスタ駆動
206 消費機器の負荷制御
210 制御則
211 推力配分論理
212 推力配分最適化
213 エネルギー制御ユニット
220 動的ハイブリッド制御ユニット
301 短期的フィードフォワード
302 長期的フィードフォワード
401 MGSコントローラ
402 双方向駆動ユニット
403 ESU用コントローラ

Claims (19)

  1. 船舶の発電装置を制御するためのシステムであって、
    前記システムは、
    前記発電装置と、
    動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットとを含み、
    前記発電装置は、
    少なくとも1つの配電盤と、
    前記少なくとも１つの配電盤に各々結合された少なくとも1つの消費機器と、
    前記少なくとも１つの配電盤に各々結合され、前記少なくとも1つの配電盤に電力を供給する少なくとも1つの発電機と、
    前記少なくとも１つの配電盤に各々結合された少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスであって、前記配電盤からの過剰な電力をエネルギーとして貯蔵して、前記貯蔵されたエネルギーを、前記配電盤を介して、前記少なくとも1つの消費機器に供給することができる少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスとを備え、
    前記少なくとも1つの発電機と、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスと、前記少なくとも1つの消費機器とが、前記少なくとも1つの発電機および前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスを制御する前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットに結合されており、前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットが前記少なくとも1つの配電盤における前記電力および前記エネルギーの流れの量および方向を制御し、
    前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットは、
    前記発電装置に関連するパラメータおよび前記船舶の運動に関連するパラメータを監視するための測定手段と、
    前記発電装置において前記少なくとも１つの発電機から前記少なくとも１つの配電盤へ供給することが必要とされる電力を示す電力必要量および前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスから前記少なくとも１つの消費機器へ供給することが必要とされるエネルギーを示すエネルギー必要量を、前記測定手段によって監視された前記発電装置に関連するパラメータおよび前記船舶の運動に関連するパラメータと、前記船舶のドリフトについて最大の電力消費を推定するための所定のモデルと、前記少なくとも1つの発電機、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイス、および前記少なくとも1つの消費機器に関連した予期されるエネルギーの流れを含むデータに基づいて計算し、予測するための計算手段とをさらに備え、
    前記システムは、前記計算手段によって予測された前記電力必要量および前記エネルギー必要量に基づいて、前記発電装置の電圧変動および周波数変動を含む過渡現象と、前記少なくとも1つの発電機における前記過渡現象による負荷変動とを最小化するよう、前記少なくとも1つの発電機と、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスと、前記少なくとも1つの消費機器との間での電力およびエネルギーの事前計画および配分を行い、
    前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットが前記発電装置へ、前記予測、前記事前計画および前記配分を含む機能に関するフィードフォワード信号を伝送し、
    前記フィードフォワード信号は、
    前記少なくとも１つの消費機器についての電力需要を含み、
    前記フィードフォワード信号は、前記エネルギー貯蔵デバイスを、前記過渡現象を最小化するためにエネルギーを供給させるように適応させ、
    前記少なくとも1つの発電機を、電力目標値に追従するよう適応させ、
    前記少なくとも1つの消費機器に対する負荷制限を設定させる、
    システム。
  2. 前記計算手段によって予測された前記電力必要量およびエネルギー必要量が、前記システムにおいて、前記発電装置における全体のエネルギー消費が最小化されるように、前記少なくとも1つの発電機と、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスと、前記少なくとも1つの消費機器の間でエネルギーの流れを分配し、かつ適応させるために、さらに使用される請求項1に記載のシステム。
  3. 前記エネルギー貯蔵デバイスがバッテリである請求項1または2に記載のシステム。
  4. 前記エネルギー貯蔵デバイスがキャパシタである請求項1または2に記載のシステム。
  5. 前記測定手段および計算手段が、動的負荷予測システムを備える請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記少なくとも1つの消費機器は、推進装置と方向舵とを含み、前記推進装置はスラスタおよびスクリューを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記少なくとも1つの消費機器が、前記消費機器の各々関連した個々の制御モジュールによって前記少なくとも1つの消費機器に対する電力および負荷率の限度を設定するよう適応される請求項1、2または6に記載のシステム。
  8. 前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットが、DPシステムを備える請求項1に記載のシステム。
  9. エネルギー制御ユニットをさらに備える前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットが、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび前記少なくとも1つの発電機の状態に基づいて、前記少なくとも1つの消費機器について特定の時点において利用可能な負荷ランプの総量である最大の負荷ランプ(kW/s)値を計算する請求項1に記載のシステム。
  10. 前記少なくとも1つの消費機器は、推進装置と方向舵とを含み、前記推進装置はスラスタおよびスクリューを含み、
    前記システムが推力配分モジュールも備え、前記推力配分モジュールが、前記発電装置における前記全体のエネルギー消費を最小化するための1つまたは複数の非線形最適化問題を解き、前記推進装置の各々についての推力の量および方向を含むパラメータを計算する請求項2に記載のシステム。
  11. 前記少なくとも1つの消費機器は、推進装置と方向舵とを含み、前記推進装置はスラスタおよびスクリューを含み、
    エネルギー制御ユニットを備える前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットが、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび前記少なくとも1つの発電機の状態に基づいて、最大の利用可能な負荷ランプ(kW/s)値を計算し、前記システムが、前記DPシステムによって必要とされる力の配分および前記最大の利用可能な負荷ランプ値に基づいて最適化問題を解き、次いで、前記推進装置のための指令信号を、前記推進装置のための前記指令信号における変化が前記最大の利用可能な負荷ランプの信号における変化と常に調和するように送出する請求項8に記載のシステム。
  12. 前記少なくとも1つの消費機器は、推進装置と方向舵とを含み、前記推進装置はスラスタおよびスクリューを含み、
    前記システムは、推力配分最適化モジュールおよび力要求加算器モジュールをさらに備え、前記力要求加算器モジュールは、低周波数の力の要求を計算し、前記システムは、前記推進装置のための低周波数の電力要求値をさらに計算するために、前記低周波数の力の要求を利用して前記少なくとも１つの消費機器のための合計の電力利用を最小化するための最適化問題を解き、前記低周波数の電力要求値が、前記発電装置における電力およびエネルギーの前記事前計画および前記配分のためのフィードフォワード信号としてさらに伝送される請求項1から11のいずれか一項に記載のシステム。
  13. 前記動的ハイブリッド制御(DHC)ユニットがエネルギー制御ユニットを備え、
    前記低周波数の電力要求値に関連した前記フィードフォワード信号は、前記エネルギー制御ユニットによって、前記少なくとも1つの発電機の所定の負荷レベルであるベース負荷を計算するための基準のうちの１つとして使用される請求項12に記載のシステム。
  14. 前記システムは、船舶の加速度の可能な変化であるジャーク値を計算する制御則モジュールをさらに備え、前記制御則モジュールは、前記エネルギー制御ユニットによって計算された前記最大の利用可能な負荷ランプ値を最大のジャーク値に変換し、前記最大のジャーク値が、前記制御則モジュールにおけるコントローラの不安定性を防止するために、前記制御則モジュールの内部の利得値を適応させるようにさらに使用される請求項9または11に記載のシステム。
  15. 前記システムは、前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスに関する充電状態(SOC)負荷制御ユニット(SLCU)をさらに備え、前記SLCUが、バッテリの充電状態(SOC)信号を受信し、前記SLCUが、前記SOC信号と、前記計算手段によって予測された前記エネルギー必要量とを使用して、前記少なくとも1つの発電機の全体の負荷における必要な増分を計算して、前記増分の所定の分数値を、前記発電機の各々が所定の負荷レベルで動作するベース負荷モードで動作中の前記発電機の各々の目標値に加えることにより動作中の発電機の間で前記負荷を分配する、前記少なくとも1つの発電機の前記目標値またはベース負荷を適応させる請求項1から14のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 負荷変動を処理するよう、変動する負荷を前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスに対して分配するために高周波数のフィードフォワード信号も含む前記フィードフォワード信号が使用される請求項1から15のいずれか一項に記載のシステム。
  17. 電力必要量およびエネルギー必要量の前記予測は、異なる運転条件下の前記少なくとも1つの消費機器に関するモデル、ルックアップテーブルおよびエネルギー消費プロファイルを含むデータに基づく、請求項1から16のいずれか一項に記載のシステム。
  18. 前記モデル、ルックアップテーブルおよびプロファイルの精度を改善するために、前記モデル、ルックアップテーブルおよびプロファイルが所定の時間間隔で更新される請求項17に記載のシステム。
  19. 前記所定のモデルは、動的容量と、DPからの低周波数(LF)のフィードフォワードと、充電状態の負荷制御ユニット(SLCU)と、高周波数のフィードフォワード、動的負荷予測(DLP)とのうちの少なくとも１つである、請求項1から18のいずれか一項に記載のシステム。
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