KR20150004421A - 예측 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력 분배 시스템에서 주파수 및/또는 전압 변동을 감축하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 적어도 하나의 발전기 및 적어도 하나의 소비장치에 연결되는 전력 제어 유닛을 포함하고, 전력 제어 시스템은 상기 적어도 하나의 발전기로부터 시스템 내의 측정된 부하와 상기 적어도 하나의 소비장치로부터의 전력 소비를 모니터링하고, 계획된 또는 예측된 전력 소비에 관한 정보를 각각의 소비장치로부터 수신하고 상기 시스템의 예상되는 전력 소비를 계산하고, 할당된 전력 소비를 모터 발전 시스템(MGS) 제어기에 공급하는 예측 할당 시스템을 포함한다.
Description
본 발명은 해양 전력 분배 시스템(marine power distribution system)에서의 주요 소비장치 부하(heavy consumer load)의 변화 또는 장비의 고장 및 제어된 변화로 인해 발생하는 주파수 및/또는 전압의 변동을 감축하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 예측되는 향후 부하(load)의 변화들을 사용해 전력 분배(power distribution)에 있어서 주파수 및/또는 전압 변동을 감축하는 방법에 관한 것으로, 상기 예측된 향후 부하의 변화들은 전동 발전기 장치(Motor Generator Set, MGS) 상의 스피드/전력 제어 시스템, 또는 엔진을 위한 터보 제트 지원 시스템(turbo jet assist system), 또는 상기 발전기 상의 자동 전압 조절기(Automatic Voltage Regulator, AVR)를 향한 피드포워드(feed forward)로 사용된다.
오늘날 널리 사용되는 전력 시스템으로는 디젤 전기 시스템이 있다. 이는 스러스터(thruster) 및/또는 프로펠러들이 전기로 구동되며, 전력도 디젤-엔진, 연료 전지, 가스-터빈, 이중 연료 엔진 등으로 구동되는 전동 발전기 장치들에 의해 제공되는 시스템을 말한다. MGS 상에서 속도 제어를 하는 가장 흔한 방법은 총 전력 관리 시스템(Power Management System, PMS)으로부터 설정점(setpoint) 조절(adjustment)과 조속기(governor), 또는 모두 PMS에 의해 수행되는 것이다. 전력은 소비장치가 많은 발전소로부터 제공되는데, 발전소에서는 스러스터(thruster)가 일반적으로 가장 지배적인 소비장치이다. 전기 히브 보상(electric heave compensation), 드로우 워크(draw work), 윈치(winch), 크레인(crane), 및 스러스터(thruster) 또는 분배 시스템의 갑작스러운 재구성으로부터 소비장치 부하 변동 발생 시 안정된 주파수 및/또는 전압을 유지하기 위해 발전소에는 많은 수의 MGS를 연결해야 한다. 주파수 및/또는 전압 변동은 전력 시스템에 있어서는 치명적일 수 있고, 전력망(power grid)에 연결될 발전기들에 있어서 정전(black-out), 서브시스템의 틀어짐(fallout), 동기화의 문제, 그리고 연료 소비 증가 등으로 이어질 수 있다. 해양 산업에서는 수년 동안 주파수 및/또는 전압 변동 및 잠재적인 정전 위험 증가 없이 온라인 MGS의 수를 감소시킬 필요성이 대두되었으나, 실질적인 해결책은 나오지 않았다. 온라인 MGS의 수가 줄어들게 되면 NOx 배출량 감소, 그을음 감소, 연료 소비 감소, 및 엔진의 유지 보수 필요성 감소 등과 같은 몇 가지 혜택들을 가져올 것이다.
부하 처리 및 부하의 변동을 보상하기 위한 전력 공급을 위한 기존 시스템으로는 스러스터에서 전력을 재유도하여 가령 히브 보상을 수행하는 것을 기재한 US2006/111855와, 모터 내의 토크 및 동적 위치 제어 시스템(dynamic positioning control system)에서 수신한 신호들에 대한 정보를 바탕으로 전력 공급을 제어하는 시스템을 기재한 US2008/284369가 있다. 따라서, 기존의 시스템은 측정된, 이미 발생한 편차 및 감지된 전력 요건들에 대한 것이라는 점에서 반응적이며, 따라서, 하나 이상의 소비장치들로부터의 동시적 부하 상승은 사용 가능한 전력 증가율을 능가함으로써 시스템 주파수를 감축하는 결과를 가져올 수 있다.
본 발명은 청구항에 기재된 바와 같이, 선박에 일반적으로 설치되는 장비를 사용하여 온라인 MGS의 수를 감축함으로써 상당한 주파수 및/또는 전압 변동의 문제를 해결한다.
따라서, 본 발명은 주요 소비장치들 상의 전반의 예측된 부하 변화 또는 분배 시스템의 급작스러운 재구성과 함께 속도/전력/전압 제어 시스템을 통합하는 방법 및 이전에는 볼 수 없었던 방식으로 부하 변동을 예측하는 방법을 제시한다.
기존의 해결방법들은, 예측되는 총 부하 변화를 피드포워드하는 것을 이용하여 종래의 피드백 보상(feedback compensation)에 비해 더욱 안정된 주파수 및/또는 전압을 획득할 수 있다는 사실을 전혀 다루지 않고 있다.
아래에서 첨부한 도면을 참고로 본 발명을 구체적으로 설명할 것이며, 이러한 설명은 예시적인 것이다.
도 1은 본 발명의 예측 및 분배부를 도시하고 있다.
도 2는 MGS 제어에 있어서 예측된 피드포워드 값들의 사용하는 것을 도시하고 있다.
도 2는 MGS 제어에 있어서 예측된 피드포워드 값들의 사용하는 것을 도시하고 있다.
본 발명은 도 1 및 도 2에 도시된, 전력 관리 시스템 내의 동적 부하 예측(Dynamic Load Prediction, DLP)을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. DLP 시스템은 바람직하게는 다수의 예측 기능들(120.1 내지 120.6), 피드포워드 값들이 분포된 총 예측된 부하 할당 기능(overall predicted load allocation function)(121) 및 MGS 제어기(122)를 포함한다.
예측 기능들의 목적은 MGS에 대한 부하 변화를 예측하는 것이다. 이러한 예측 중 하나는 계획된 선박 속도 변화로 인한 부하 변화일 수 있는데, 이는 요구되는 선박 속도를 달성하기 위해 제어된 축들 각각에서 요구되는 결과적인 힘 수요를 바탕으로 DP 제어 시스템(120.1)에 의해 계산될 수 있다. 예측된 부하는 단기 예측일 수도 있고 장기 예측일 수 있다(이하 구체적으로 설명함).
단기 예측은 보통 1초의 MGS 기간에 즉각적인 증가/감소를 주도록 사용될 수 있고, 장기 예측은 추후 부하 증가/감소에 의해 보상될 수 있는 주파수/전압 변동을 허용하도록 보통 10 내지 30초의 기간이 사용될 수 있다.
또 다른 가능한 예측된 변화는 크레인(crane), 히브 보상(heave compensation), 드릴링(drilling) 및/또는 스러스터 수동 레버 등과 같은 어떤 종류의 동적 주요 소비장치(120.2) 상의 설정점 변화로 인한 MGS 부하의 변화와도 관계될 수 있다. 가령, 수동 레버는 스러스터 드라이브 및 의도된 변화의 작동과 진폭을 예측하는 설정점 변화 예측 기능(120.2) 둘 다에 신호들을 보낼 수 있다. 소비장치(120.4)의 시작에 필요한 부하를 예측하는 주요 소비장치 시작 제어(heavy consumer start control) 뿐만 아니라, 남아 있는 MGS(120.3) 상의 여분의 부하의 양을 예측하는 MGS 정지/부하제한/발전기 또는 타이 브레이커 트리핑(tie breaker tripping) 또한 본 발명에 따른 시스템에 포함될 수 있다.
소비장치가 트리핑(120.5) 될 때 감축될 부하의 양을 예측하는, 예측된 전력평균분배(predicted load shedding) 또한 사용될 수 있다.
어떠한 반복적 부하 가령 히브 보상으로부터의 패턴이라도 부하 소비를 인식할 수 있으며 이 패턴은 패턴 인식 기능(120.6) 내에서 더 장기적인 예측에 사용된다.
패턴 인식 기능은 시스템이 미래에 부하 증가/감소가 있게 되면 주파수/전압 변화와 작동함으로써 주파수/전압 변동을 보상할 수 있게 한다. 패턴 인식은 또한 실제 부하 변화 전에 피드포워드를 예측하는데 사용될 수 있다. 가령, 시스템은 높은 부하로 인해 감축된 작업 주파수를 경험하더라도 발생 전력을 증가시키지 않기로 결정할 수 있는데, 이는 가령 허용 가능한 시간대 이내에 부하가 감소하여 작업 주파수가 정상으로 복귀할 것이라고 예측되는 경우이다. 이러한 방식으로, 전력 발생은 안정을 유지하게 되며 시스템상에서의 오염뿐만 아니라 불필요한 마모도 감소된다.
따라서, 예측에 대한 수단과 특성 자체는 계획된 스케줄에서 장비 조건 및 마모 정도의 평가 등 소비장치에 따라 다를 수 있다. 예측된 전력 소비는 히브 보상(장기), 또는 소비에 있어서의 단일 증가(단기), 또는 발전기의 고장 또는 정지(shutdown)로 인한 경우 등 장기 또는 단기적 기준에 따라 결정될 수 있다.
예측된 부하 변화는 예측된 부하 할당 기능(121)으로 제공되고, 이 예측된 부하 할당 기능(121)에서는 관련 소비장치의 전력 공급을 포함해 전력 관리 시스템(123)으로부터 수신한 스위치보드 구성 상태(switchboard configuration status)에 따라 모든 개별 예측 기능들(120.1 내지 120.6)로부터의 총 예측된 부하 변화들을 합산, 검증한 후 각각의 영향이 있는 MGS로 피드포워드 값을 분배한다. 도면부호 123의 구성으로부터 도면부호 121의 구성으로 전송된 스위치보드 구성 상태는, 사용 가능한 스러스터 및 발전기 조합에 대한 정보를 제공함으로써 각각의 소비장치에게 전력을 제공할 수 있는 발전기가 무엇인지에 대한 정보를 제공하게 된다.
각각의 피드포워드 값은, MGS 기초 속도 제어기(MGS Base Speed Controller, 122.1)에 의해 처리되는, 필요 토크를 달성하기 위한 가변 rpm MGS 상의 기초 rpm을 조절하기 위한 DC 버스 시스템상에서의 연료/rpm/kW 관계에 대한 검색 곡선 또는 표로 보내진다. 더 나아가, 각각의 MGS에 대한 속도/전력 제어 시스템으로 보내질 수 있는데, 여기서 상기 값은 추가 부하 기여(extra load contribution)(122.2)로서 추가되거나 및/또는 엔진 반응(engine response)(122.3) 개선을 위해 터보 제트 지원 시스템으로 제공되거나 및/또는 전압 반응(voltage response)(122.4) 개선을 위해 발전기 AVR 시스템으로 제공된다.
DP
에서의
스러스터
부하 예측, 120.1
DP 시스템은 DP 제어기를 위해 위치, 속도 및 가속 설정점들을 계산하는데 있어서 일정한 저크 궤도 발생기(jerk trajectory generator)를 사용한다. 저크 궤도 발생기는 Haschke 외.의 "시간-최적의, 저크-제한된 궤도의 온라인 계획(On-line Planning of Time-Optimal, Jerk-Limited Trajectories)" IROS conference, Nice 2008에 기재된 이미 잘 알려진 방식이다. 속도 설정점이 증가하면 선박의 가속도의 변화를 가져올 것이다. 이러한 가속도 수요는 전력으로 변환되며, DLP로 제공된다. 궤도 발생기는 잘 정의된 가속도 진행을 제공하며, 장기적인 미래 수요를 계산하기에 적합하다.
위치 설정점으로부터 DP 위치된(DP positioned) 선박이 멀어지면 표류가 멈출 때까지 전력 수요가 증가하게 되며, 선박은 위치 설정점으로 다시 향하게 된다. DP 제어 시스템에서는 모델 예측에 의해 표류에 대한 최대 전력 사용을 예측할 수 있고, 그 결과를 DLP에 제공하게 된다.
DP 제어 시스템은 또한 선박의 위치 및/또는 이동에 영향을 미칠 수 있는 바람 속도와 방향과 같은 환경적 측정치를 바탕으로 부하 수요를 예측할 수 있고, 이는 일반적으로 단기 예측에 해당한다.
DP 제어 시스템에서는 또한 스위치보드 섹션들에서의 정전 및/또는 스러스터의 손실에 대한 시뮬레이션을 실시하는 분석을 수행할 수 있다. 이러한 분석은 모든 DP 클래스 2 및 3 선박들에서 의무 사항이다. 이 분석은 하나의 스위치보드 섹션에서 정전이 발생하면 나머지 스위치보드 섹션들에서 사용되는 전력을 측정하게 된다. 이 분석은 또한 스러스터 손실 시 부하 수요에 있어서의 변화를 계산할 수 있다. 이는 DLP로 제공됨으로써, 예측된 부하 할당 기능(121)은 하나의 스위치보드 섹션에서 정전/스러스터 손실이 탐지되면 즉각적으로 전력 수요를 알게 된다.
요약하면, 본 발명은 전력 분배 시스템에서 주파수 및/또는 전압 변동을 감축하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 적어도 하나의 발전기 및 적어도 하나의 소비장치에 연결되는 전력 제어 유닛을 포함하고, 전력 제어 시스템은 상기 적어도 하나의 발전기로부터의 측정된 부하와 상기 적어도 하나의 소비장치로부터의 전력 소비를 모니터링하도록 마련된다. 이 시스템은 또한 각각의 소비장치로부터 정보를 수신하도록 마련된 예측 할당 시스템을 포함한다. 이 정보는 계획된 또는 예측된 전력 소비에 관한 것이고, 따라서 시스템의 예상되는 전력 소비를 계산하고, 할당된 전력 소비를 모터 발전기 시스템(MGS) 제어기로 공급하도록 마련된다.
예측 할당 시스템은 또한 스위치보드 구성 상태에 관한 전력 관리 시스템으로부터의 정보 및 사용 가능한 발전기와 스러스터들에 관한 정보를 수신하도록 마련된다. 이러한 방식으로, 요구되는 사용 가능한 전력은 특정 소비장치들에게 연결된 사용 가능한 발전기들에 대한 정보에 따라 할당할 수 있다.
이 시스템은 속도 또는 가속도 변화에 기초하여 부하로 변형된 힘을 정의하도록 마련된 동적 위치 제어 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 이 전력 시스템은 예측된 피드포워드 부하 기여를 바탕으로 디젤 엔진 상의 속도를 조절하고 터보 제트 지원 시스템을 촉발(trigger)하도록 마련된다. 이러한 방식으로, 총 주파수/전압 변동은 스러스터들 또는 그 외 동적으로 제어되는 주요 소비장치에 의해 강제되는 부하 변동들에 따라 감축될 수 있다.
예측된 정보는 전력평균분배 등의 시스템 내에서 다른 소비장치와 발전기들을, 예를 들어, 동적 위치 제어 시스템, 가능한 발전기 정지, 브레이커 트리핑(breaker tripping)을 나타낼 수 있고, 시스템 내에서 사용 가능한 전력을 감축하거나 증대시키는 소비장치, 발전기, 스위치보드 등에서의 계획된 정지 작업 또는 수동 제어, 시변 또는 주기적인 부하, 적어도 하나의 전력 소비장치로부터 설정점 변화와 같은 정보를 포함한다. 이는 상황과 소비장치에 따라 단기(예를 들어 1초) 또는 장기(예를 들어 20초 이상)적으로 수신될 수 있다.
계산된 예측 전력 소비는 각각의 소비장치로부터의 예측된 소비의 합계이고, 이는 모터 발전기 제어기로 할당되는 것이 바람직하다. 예측된 전력을 시변 표 또는 곡선으로 나타낼 경우, 단일, 계단식 및 시변 예측치들은 표 또는 곡선에서 합산되어 시간에 따른 포워드 전력 소비를 나타내게 된다.
Claims (10)
- 전력 분배 시스템에서 주파수 및/또는 전압 변동을 감축하는 시스템으로서,
적어도 하나의 발전기 및 적어도 하나의 소비장치에 연결되는 전력 제어 유닛으로서, 전력 제어 시스템이 상기 적어도 하나의 발전기로부터의 시스템 내의 측정된 부하와 상기 적어도 하나의 소비장치로부터의 전력 소비를 모니터링하는, 전력 제어 유닛; 및
계획된 또는 예측된 전력 소비에 관하여 정보를 각각의 소비장치로부터 수신하고 상기 시스템의 예상되는 전력 소비를 계산하고, 할당된 전력 소비를 모터 발전 시스템(MGS) 제어기에 공급하는 예측 할당 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 예측 할당 시스템은 사용 가능한 발전기 및 스러스터(thruster)와 관계된 정보를 포함하여 전력 관리 시스템 스위치보드(power managing system switchboard)로부터 정보를 수신하여, 사용 가능한 전력을 상기 사용 가능한 발전기에 따라 할당하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시스템은 동적 위치 제어 시스템(dynamic positioning control system)을 포함하고, 스러스터 또는 동적으로 제어되는 다른 주요 소비장치에 의해 강제된 부하 변동에 따른 총 주파수 변동을 감축하기 위해, 예측된 피드포워드 부하 기여를 기초로, 상기 동적 위치 제어 시스템은 속도나 가속도 변화에 기초하여 부하로 변형된 힘을 정의하고, 상기 전력 시스템은 디젤 엔진 상의 속도를 조절하고 및/또는 터보 제트 지원 시스템을 촉발하도록 마련된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 예측된 정보는 적어도 하나의 전력 소비장치로부터의 설정점 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 예측된 정보는 상기 시스템에서 사용 가능한 전력을 감축시키는 발전기 정지(shut-down)와 관계되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 예측은 상기 시스템 내에서 단기 변화를 나타내는 1초 시간 단위의 예측인 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 예측은 시변(time varying) 전력 소비, 예를 들어 부하에 있어서 주기적인 변동(periodic variation)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 예측된 소비는 DC 버스 시스템 상의 커먼레일 변동 rpm 기계 상의 기초 rpm을 조절하는데 사용됨으로써, 필요한 토크를 기계가 전달하도록 하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 계산은 예측된 전력 요구량의 합계를 구하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 합계에 의해, 시간에 대한 상기 예측된 전력 소비를 포함하는 곡선 또는 표를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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