KR20170076757A - 전기 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

전기 발전 시스템 및 전기 발전 시스템의 방법. 상기 시스템은 전기 에너지를 생산하기 위한 1 이상의 발전기를 포함하고, 각 발전기는 대응하는 원동기로 구동되도록 배열되며, 여기서 상기 발전기는 주파수 및 진폭을 갖는 다상(multiphase) 전압을 발생시키기에 적합한 다상 AC 발전기이고, 상기 발전기의 위상 출력은 AC 발전기에 의해 생산된 전기 에너지를 분배하기 위한 공통의 다상 버스(bus)에 연결 가능하고, 상기 시스템은 원동기의 회전 속도 및 다상 전압의 진폭에 대한 독립적인 기준값을 제공하기 위한 추가 수단을 포함하며, 상기 원동기의 회전 속도는 다상 전압의 주파수를 정의하고, 상기 시스템은 상기 제공된 독립적인 기준값에 기반하여 3 이상의 동작점에서 작동하도록 되어 있고, 동작점은 다상 전압의 주파수에 대한 다상 전압의 진폭의 비율로서 정의되며, 여기서 3 이상의 동작점은 상이하다.

Description

전기 발전 시스템{ELECTRIC POWER GENERATING SYSTEM}

본 발명은 전기 발전 시스템, 및 특히 독립형(stand-alone) 전기 발전 시스템에 관한 것이다.

독립형 전기 발전 시스템은 광역 전기 네트워크에 대한 전기 연결이 불가능한 상황 또는 위치에서 사용된다. 이러한 독립형 시스템은 또한 선박 등의 다양한 전기 장치에 의해 소비되는 전기 에너지를 생산하기 위해 발전기에 연결된 원동기가 사용되는 선박, 요트 및 기타 항해선에 사용된다. 생성된 전기 에너지는 선박의 추진 및 선박 작동과 관련된 다양한 부품 및 시스템에 전원을 공급하는데 필요한 장치에 사용된다. 또한 여객선에서 승객은 전기 장비로 직접 또는 간접적으로 보드에 있는 편의시설을 사용하여 막대한 양의 전기 에너지를 소비한다.

원동기에 연결된 발전기로 AC 전력을 생산하여 선박에 전기 에너지를 공급하는 것이 알려져 있다. 원동기는 디젤 연료 및 연료 오일과 같은 다양한 에너지 원을 사용하여 발전기의 회전 운동을 생산한다. 생산된 AC 전력은 상이한 목적을 위해 적절한 전압 레벨로 변환된다. 대형 선박에서 다수의 발전기가 병렬로 작동되고 상부 제어 시스템이 작동을 감독한다. 상위 제어 시스템은 전력 수요가 필요할 때 활성 발전기의 수를 변경하여 발전기의 전력 관리를 제어한다. 상부 제어 시스템은 발전 시스템의 작동이 전력 수요의 변화에 관계없이 안정된 방식으로 작동하도록 구성된다.

생산 전력의 제어는 원동기의 연료 분사를 제어하여 원동기가 그 회전 속도를 일정하게 유지하도록 수행된다. 예를 들어, 발전기의 부하가 증가할 때, 연료 분사는 또한 회전 속도가 일정하게 유지되도록 증가된다. 발전기가 원동기의 샤프트에 직접 연결됨에 따라, 생산된 AC 전력의 출력 주파수도 일정하게 유지된다.

또다른 접근법에서, 각 원동기-발전기 세트에는 AC 대 DC 정류기(rectifier)가 장착되어 있다. 정류기의 출력은 공통 DC 버스에 연결된다. 생산된 전력은 AC 전력으로 더 변환되어 전력이 AC 장치로 소모될 수 있다. 이러한 구조에서, 각 발전기-원동기 세트의 출력 주파수는 시스템의 작동을 최적화하도록 제어될 수 있다. DC 분배를 갖는 발전 시스템에서, 각 발전기가 별도의 정류기를 필요로 하기 때문에 전기 부품의 양이 많다. 설치된 전원의 양이 많은 대규모 설치에서는 작동이 중간 전압 레벨이기 때문에 회로 차단기와 같은 필수 DC 부품이 비용이 많이 든다. 또한, DC 전압이 소비자를 위해 다시 AC 전압으로 변환될 때 또 다른 전력 변환이 필요하다.

문서 EP 2682339 A1은 AC-분배 네트워크의 주파수가 가변적인 시스템을 개시한다. 상기 시스템에서 원동기의 속도는 효율을 최대화하기 위해 가능한 한 낮게 유지된다.

본 발명의 목적은 상기 문제를 해결할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 상기 본 발명의 목적은 독립항에 언급된 것을 특징으로 하는 시스템 및 방법으로 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에 개시되어 있다.

본 발명은 정 가능한 주파수 및 실질적으로 일정한 전압을 갖는 공통의 다상 버스로 1 이상의 발전기를 이용하여 다상 AC 전압을 생산하는 아이디어에 기반한다. 전기 에너지를 생산하기 위한 발전기를 회전시키기 위해 사용되는 원동기는 다양한 측면에 따라 선택될 수 있는 회전 속도 기준이 주어진다.

본 발명의 이점은 조작자의 기호에 따라 원하는 값으로 설정될 수 있다는 것이다. 본 발명은 고정된 회전 속도를 이용하도록 하며, 이는 반드시 원동기의 공칭 회전 속도는 아니다. 실질적으로 일정한 전압이 1 이상의 발전기로 생산될 때, 생산된 전력은 주파수에 의존하지 않으므로 모든 주파수에서 총 생산된 전력을 사용할 수 있다. 가변 주파수에서 전압이 실질적으로 일정하므로, 각 단일 소비자는 능동적인 프론트 말단을 갖는 주파수 변환기와 같은 특정 장치 없이 총 전력을 얻는다. 따라서 주파수는 단일 소비자에게 사용 가능한 전력을 희생시키지 않으면서 조정될 수 있다.

바람직한 실시예에 따라, 다상 AC 전압은 일정하게 조절되는 진폭을 갖는다. 고정된 진폭이 사용될 때, 시스템 내 자성 부품의 자속은 주파수가 변함에 따라 변한다. 그러나, 주파수가 낮아질 때 전압의 진폭이 약간 감소하는 경우, 자속의 증가가 다소 감소할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 원동기와 관련된 특성은 회전 속도 기준의 조정으로 최적화된다. 이러한 특성은, 예를 들어 원동기의 연료 소비량이다. 따라서 실시예에서, 원동기의 회전 속도는 연료 소비량을 최소화하도록 변할 수 있다. 엔진의 변화된 회전 속도는 또한 생산된 AC 전압의 변화된 주파수를 의미한다.

공지된 시스템에서 고정된 주파수가 다상 전압 버스로 생산되도록 발전기의 회전 속도는 일정하다. 이는 전력 수요, 즉 발전기의 부하가 원동기의 동작점을 가리킨다는 것을 의미한다. 원동기는 일반적으로 고정된 주파수를 갖는 특정 전력 레벨에서 작동하도록 최적화되어 있다. 그러나, 회전 속도의 변화는 또한 연료 소비에 영향을 미치며, 이러한 특성은 실시예에서 사용된다.

실시예에서, 원동기는 상위 레벨 제어 시스템으로부터 회전 속도 기준을 수신하고, 발전기는 이들의 출력 주파수를 기준에 동기화시켜 주파수가 조정 가능한 교류 전압 버스가 형성된다. 따라서 상위 레벨 제어 시스템은 1 이상의 병렬 발전기가 원동기의 다른 특성을 최소화하는 주파수로 가동하도록 지시함으로써 연료 소비량 또는 다른 최적화된 특성을 최적화한다.

본 발명에서, 원동기의 회전 속도 및 다상 전압의 진폭에 대한 독립적인 기준값이 제공된다. 바람직하게는 상기 회전 속도 기준은 원동기와 관련된 특성을 최적화하기 위해 사용되고 진폭 기준은 자성 부품이 포화되지 않도록 시스템에서 자속을 변화시키기 위해 사용된다.

본 발명으로, 신뢰성 있고 견고한 AC 기술을 사용할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 선택된 설계에 따른 AC 기술 또는 DC 기술을 사용하여 전력을 전송할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예로서 본 발명을 상세히 설명한다,
도 1은 원동기의 회전 속도와 생산된 전력의 함수로서 연료 소비의 예시를 나타낸다;
도 2는 본 발명의 시스템의 실시예를 나타낸다;
도 3은 선박 속도의 함수로서 전력 수요 곡선 및 시스템 주파수 곡선의 예시를 나타낸다;
도 4는 전압/주파수 평면에서 일정한 비율 선을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 주 회로도를 나타낸다. 도 2에서, 4개의 다상 AC 발전기 (1, 2, 3, 4)는 AC 버스 (5)에 연결된다. 상기 AC 버스는 버스 바(bars), 즉 생산된 다상 전압의 각 위상에 대한 도체 및 버스가 공칭 전류를 전달하는 경우에도 버스를 2개의 독립적인 섹션으로 분할하는데 사용될 수 있는 회로 차단기 (6)로 구성된다. 도 2의 실시예에서, 버스의 전압 및 발전기의 출력 전압은 일정하게 11 kV이다. 발전기의 공칭 전력은 메가와트급일 수 있으며, 이 경우 생산된 전력은 전기 추진 시스템을 갖춘 대형 선박을 전화(電化)하는데 충분하다.

도 2는 또한 AC 버스에 연결된 다양한 부하를 나타낸다. 실시예에서 상기 추진 시스템은 전기로 구동되고 도 2는 추진을 위한 전력 시스템 (13)을 나타낸다. 이러한 전력 시스템은 변압기, 주파수 변환기 및 프로펠러를 구동하는 모터를 포함한다. 또한 도 2에 제시된 부하는 냉각 목적의 냉각수를 생산하기 위한 장치의 압축기에 대한 전기 구동 (11, 12) 및 모터 (10)에 직접 연결되는 것으로, 이러한 선수 추진기(bow thruster)를 포함한다.

도 2는 선박의 다른 기능을 위해 선박 내부의 전기를 변형시키고 배전하는 변압기 (7)를 나타낸다. 이러한 다른 기능은 여객 선박의 수용 설비 및 식당과 다른 작업 선박의 드릴 및 펌핑 기계와 같은 다양한 작업 기계와 관련될 수 있다. AC에서 DC 변환기 (9)는 변압기 (8)를 통해 AC 버스에 연결되어 있기 때문에 전력의 DC 분배 가능성은 도 2의 실시예에 나타난다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 다양한 부품 및 하중은 중복하여 제시된다. 중복되는 필요성으로 인하여 원동기 및 주요 전기 부품은 2 이상의 분리된 공간에 설치된다. 공간을 함께 연결하는 일반적인 AC 버스는 회로 차단기 6을 개방함으로써 분리될 수 있다.

본 발명에 따르면 선박의 전기 발전 시스템은 전기 에너지를 생산하기 위한 1 이상의 발전기 (1, 2, 3, 4)를 포함한다. 도 2의 실시예에서 4개의 발전기가 존재한다. 발전 시스템에 연결된 발전기의 수는 임의의 구체적인 양으로 제한되지 않는다. 각각의 발전기는 디젤 엔진과 같은 대응하는 원동기로 구동된다. 이러한 원동기는 발전기의 샤프트에 직접 연결되어 발전기는 대응하는 원동기를 이용하여 회전한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서 사용된 발전기는 다상 AC 발전기이다. 일반적으로, 발전기는 삼상 전압을 생산하는 삼상 AC 발전기이다. 대형 선박에서 전력의 생산에 사용되는 발전기는 메가와트 급의 발전기이다. 발전기의 공칭 전력은 동일하거나 또는 예를 들어 2개의 발전기가 더욱 작은 등급이고 나머지 발전기가 더 높은 전력 등급을 갖는 것일 수 있다.

상기 발전기의 위상 출력은 공통의 다상 버스에 연결될 수 있다. 도 2는 버스 5 및 발전기 사이의 차단기를 나타낸다. 차단기는 버스에 연결된 생산 용량을 조정하기 위해 작동된다. 버스 (5)는 생산된 전력을 부하 또는 소비자에게 분배하기 위하여 사용되는 버스 바 또는 유사한 도전성 부재(conducting members)로 구성된다. 다상 버스의 위상 수는 발전기의 위상 수에 해당하며, 일반적으로 3개의 버스 바를 갖는 삼상 버스이다. 발전기는 AC 발전기이고 생산된 전압은 모든 발전기에 공통되는 주파수를 갖는다.

본 발명의 실시예에서, 생산된 다상 AC 전압의 진폭은 AC 전압의 주파수가 변화하더라도 일정하게 유지된다. 일정한 진폭을 갖는 AC 전압을 생산할 때, 이용 가능한 전력은 AC 전압의 주파수와 무관하게 일정하게 유지된다. 발전기에서 일정한 AC 전압은 공지된 방식으로 발전기의 자화(magnetization)를 제어함으로써 얻는다.

본 발명에 따르면 시스템은 원동기에 대한 회전 속도 기준을 제공하는 수단을 포함한다. 알려진 바와 같이, 원동기의 회전 속도는 대응하는 발전기에 직접적으로 연결될 때 생산된 전압의 주파수를 정의한다. 본 발명에서, 원동기의 회전 속도에 대한 기준값은 다상 전압의 진폭에 대한 기준값과 독립적이다. 즉, 진폭 및 회전 속도에 대해 별도의 기준값이 주어지며 기준값은 서로 직접적으로 비례하지 않는다. 또한 본 발명에서, 전기 발전 시스템은 기준값에 기초하여 3 이상의 동작점에서 작동하도록 되어있다. 동작점은 다상 전압의 주파수에 대한 다상 전압의 진폭의 비율로 정의된다.

전기 시스템의 가변 주파수 동작을 위한 일반적 제어 시스템에서 전압의 주파수 및 진폭은 주파수의 변화에 기초하여 진폭이 변화하도록 제어된다. 주파수가 변경되면, 진폭은 주파수 상수에 대한 전압의 진폭의 비율을 유지하기 위해 변화를 따라간다. 본 발명에서, 생산된 전압의 주파수 및 진폭은 전기 발전 시스템의 설계 및 사용에 유연성을 제공하는 서로에 따라 선형적으로 제어되지 않는다.

원동기에 대한 회전 속도 기준을 제공하는 기능은 생산된 다상 전압의 주파수가 특정 필요 또는 목적에 따라 주어진 값으로 설정될 수 있음을 의미한다. 발전기에 기계적으로 연결된 원동기는 원하는 회전 속도로 설정될 수 있으며 이로써 출력 전압의 주파수는 발전기의 회전 속도를 따른다. 회전 속도 기준을 제공하는 수단은 바람직하게는 선박의 전력관리시스템과 같은 상위 레벨 제어 시스템에서 구현된다. 언급된 회전 속도 및 생산된 전압의 주파수 사이의 관계가 선형이기 때문에 원동기에 대한 회전 속도 기준은 주파수 기준으로 간주될 수 있다. 따라서 상위 레벨 제어 시스템은 원동기에 제공되는 대응하는 회전 속도 기준이 되도록 변경되는 주파수 기준을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 시스템은 원동기의 회전 속도 기준을 조절함으로써 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단을 포함한다. 따라서 상기 실시예에서 회전 속도 기준 및 이에 따른 출력 전압의 주파수는 변경되어 원동기와 관련된 특성이 최적화된다. 특성이 최적화된다는 사실은 출력 전압의 주파수가 측정 가능한 원동기와 관련된 특성이 더욱 바람직한 값으로 조정되는 값으로 조정되는 일련의 동작을 의미한다.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 최적화된 원동기와 관련된 특성은 원동기의 연료 소비량이다. 본 발명의 또다른 실시예에서, 원동기와 관련된 최적화된 특성은 원동기의 배출 레벨이다. 또다른 실시예에서, 원동기와 관련된 상기 최적화된 특성은 원동기의 소음 레벨이다. 주파수가 변하는 동안 AC 전압의 생산된 진폭이 일정하게 유지되면, 상기 시스템은 대규모 파라미터의 최적화를 가능하게 한다. 원동기의 회전 속도 또는 출력 주파수는 예를 들어 연료 소비량을 최적화하는 지점으로 조정될 수 있으며, 여전히 단일 사용자는 발전 시스템으로부터 공칭 전력을 끌어올 수 있다.

하기에서, 원동기와 관련된 최적화된 특성이 원동기의 연료 소비량인 실시예가 상세히 설명된다. 실시예에서, 다상 전압의 주파수는 원동기의 연료 소비량을 고려하여 조정되거나 변경된다. 주파수의 변경은 실제로 시스템이 사용된 장치의 공칭 주파수와 다른 주파수로 작동함을 의미한다. 바람직하게는, 원동기의 주파수 및 이에 따른 회전 속도는 공칭 값보다 낮아지고 최적화가 수행되는 바람직한 범위는 원동기의 공칭 회전 속도의 60% 내지 100% 속도 범위이다. 만일 발전기로 생산된 전기의 공칭 주파수가 60 Hz라면, 그 후 원동기의 60% 회전 속도는 36 Hz의 주파수를 갖는 전압을 생산한다. 그에 상응하여, 만일 발전기의 공칭 주파수가 50 Hz라면, 그 후 60% 회전 속도는 30 Hz의 주파수를 갖는 전압에 상응한다. 그러나, 작동의 엄격한 제한은 원동기의 설계 및 유형에 따르며, 생산된 주파수의 하한은 공칭 주파수의 50 %만큼 낮거나 또는 그보다 낮을 수 있다.

상기 공칭 주파수는 원동기가 이의 공칭 회전 속도에서 회전할 때 얻은 출력 전압의 주파수에 관한 것이다. 이 공칭 회전 속도는 종래의 동작에서 공칭이라 하는, 즉 50 Hz 또는 60 Hz의 주파수를 생성한다.

도 1은 엔진의 회전 속도 및 엔진의 전력의 함수로서 디젤 엔진의 연료 소비량을 나타내는 차트의 예시를 도시한다. 상기 연료 소비량은 100 % 회전 속도 및 100 % 전력 레벨을 갖는 동작점으로부터 g/kWh의 변화로서 나타낸다. 상기 소비는 선이 g/kWh로 소비의 특정 증가 또는 감소를 나타내는 차트로부터 읽는다. 예를 들어, 가장 최적의 동작점은 차트에서 *로 표시되어 있는　대략 90 % 회전 속도 및 대략 70 % 전력이다. 원에서 출발하면 소비가 증가한다. 차트에서 알 수 있는 바와 같이, 소비의 변화는 생산된 전력의 범위가 낮을수록 커지고 전력의 범위가 클수록 선 사이의 공간이 넓어지므로 동작점이 변경될 때 소비의 변화가 작은 것을 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 원동기의 연료 소비량과 같은 특성을 최적화하는데 적합한 수단은 연료 소비량과 같은 특성의 양을 원동기의 회전 속도 및 원동기의 로딩 레벨의 함수로서 나타내는 판독 가능한 데이터베이스를 포함한다. 실시예의 룩-업 테이블(look-up table)과 같은 판독 가능한 데이터베이스는 다른 동작점에서 데이터를 읽기 위하여 데이터가 프로세서 또는 유사 장치에 의해 접근 가능한 방식으로, 원동기와 관련된 최적화된 특성과 관련된 데이터가 저장되는 3차원 테이블이다. 이러한 목적을 위해 최적화 수단은 원동기의 공지된 로딩 레벨에 기초한 데이터베이스를 판독하고 원동기와 관련된 원하는 특성을 최소화 또는 최적화하는 회전 속도 값을 출력하도록 구성된 수단을 포함한다.

본 발명에서, 회전 속도에 상응하는 주파수를 갖는 다상 전압을 생성하기 위하여 원동기의 회전 속도에 대한 기준값이 제공된다. 원동기에 주어진 회전 속도 기준은 원하는 주파수를 갖는 교류 전압을 얻기 위한 특정 주파수 기준에 해당한다.

생산된 전압의 주파수는 회전 속도 기준을 따르도록 되어있다. 기준은 주파수 기준에 상응하는 회전 속도 기준으로서 원동기에 주어지는 것이 바람직하다. 원동기는 회전 속도가 기준에 상응하도록 연료 분사를 증가 또는 감소시키는 역할을 한다.

도 1의 차트는 판독 가능한 표와 같이 판독 가능한 데이터베이스로서 저장된다. 실시예의 아이디어에 따르면, 정상 상태에서 작동할 때, 전류 소비 값은 동일한 전력 레벨을 갖는 다른 소비 값과 비교된다. 예를 들어, 발전기의 공칭 속도에서 작동할 때 생산된 필요한 전력 레벨은 공칭 전력의 50 %이고, 도 1의 차트에서 원동기의 회전 속도가 공칭 회전 속도의 대략 대략 85 %로 낮아질 때 연력 소비량이 최소화된다는 것을 알 수 있다. 표의 값이 더 낮은 소비가 가능함을 나타낼 때, 회전 속도 기준이 1 이상의 활성 원동기에 제공된다. 작동이 또다른 전력 레벨로 변경되면, 최적화 절차가 반복된다d.

도 1의 소비 차트는 시스템에 설치된 각 개별 원동기에 대해 접근 가능한 형태로 저장된다. 룩-업 테이블 또는 유사 데이터베이스는 시스템에 설치된 원동기의 모든 조합에 대해 형성될 수 있다. 연료 소비량을 최적화할 때, 현재 활성 원동기의 소비를 나타내는 결합 차트가 판독되거나 또는 현재 활성 원동기에 대응하는 개별 차트가 판독되며 대응하는 연료 소비량이 합산되어 결합된 소비를 얻는다.

도 3은 생산된 전압의 진폭이 일정하게 제어되는 경우 시스템 주파수 및 가용 전력과 함께 전력 수요 곡선의 예시를 나타낸다. 도 3의 예시는 시스템에 전기 에너지를 생산하기 위해 4개의 발전기가 연결 가능한 선박 또는 배에서 본 발명의 아이디어를 도시한다. 속도 의존성 추진력 이외에, 전력 수요 곡선은 선박 속도가 0임에도 불구하고 전력이 요구된다는 사실로부터 보이는 일정한 보조 부하를 포함한다. 곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 선박의 속도가 최고 속도의 0 내지 50 % 범위일 때 요구되는 전력을 생산하기에 충분하다. 따라서, 주파수는 원동기와 관련된 특성을 최적화하도록 변경될 수 있다. 선박 속도가 증가함에 따라 전력 수요가 증가하면, 더 많은 발전기가 연결되어 전력을 생산한다. 예를 들어, 선박 속도가 최고 속도의 50 %를 초과하면 제2 발전기가 연결되어 전력을 생산함과 동시에 시스템 주파수를 낮출 수 있다. 마찬가지로 전력 수요가 증가하면 더 많은 발전기가 시스템에 연결된다. 전력 수요가 감소되면, 활성 발전기의 수가 감소될 수 있다.

상기 예시는 생성된 전압의 주파수에 대한 전력 생성의 작동을 설명하기 위한 것이다. 특정 파라미터의 최적화에서, 적은 양의 발전기로도 충분한 전력을 이용할 수 있다고 하더라도, 다수의 발전기가 사용될 수 있다. 이는 파라미터의 최적화가 개별 발전기의 전력 수준을 고려한다는 사실 때문이다. 예를 들어, 용량이 95 %인 2개의 발전기보다 발전기의 최대 용량의 63.3 %인 3개의 발전기로 전력을 생산하는 것이 바람직할 수 있다.

연료 소비량과 같은 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은, 바람직하게는 선박의 발전 시스템과 관련된 다른 기능을 제어하는 상위 레벨 제어기에 형성된다. 상위 레벨 제어기는 생산된 전력의 양과 요청된 전력에 대한 정보를 수신한다. 생산된 전력 및 요청된 전력에 기초하여 상위 레벨 제어기는 현재 사용중인 발전기를 변경할지 아니면 현재 설정으로 계속 작동할지 결정한다. 작동중인 발전기를 결정할 때 최적화가 고려된다. 만일, 저장된 차트를 기초로 현재 부하가 여러 원동기와 공유될 때 연료 소비가 감소할 것으로 예상되는 경우, 상위 레벨 제어기는 이러한 작동을 수행하고 연료 소비량을 최적화하기 위해 회전 속도 기준 또는 주파수 기준을 설정한다. 유사한 방식으로, 상위 레벨 제어기는 사용중인 원동기의 수를 감소시킬 수 있다.

언급한 바와 같이, 원동기의 회전 속도, 및 이에 따라 생산된 주파수는 특정 한계 내에서 변할 수 있다. 발전 시스템의 작동에 필요한 다양한 전기 부품은 설정된 제한 범위 내에서 기능할 수 있다. 본 발명에 따라, 생산된 전압의 진폭에 대한 기준값은 회전 속도 기준과 독립적으로 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 전압이 일정하게 유지될 때, 발전기 및 변압기와 같은 다양한 자성 부품은 이러한 작동을 고려하여 설계될 필요가 있다.

전압의 진폭이 고정된 기준값으로 일정하게 유지되고 주파수가 변할 때, 진폭과 주파수의 비율은 일정하지 않다. 알려진 바와 같이, 언급된 볼트/헤르츠-비율이 일정하게 유지될 때, 자성 부품 내 자속 또한 일정하다. 일 실시예에 따르면, 전압의 진폭은 주파수가 조정되는 동안 실질적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 본 발명의 시스템에서, 변압기, 발전기 및 전기 모터와 같은 자성 부품 내 자속은 다양하다. 자성 부분이 포화되지 않도록 자속의 변화를 고려해야 한다. 부품의 자성 부분은 가능한 최저 주파수에 따라 설계되어야 한다. 실제로, 변압기, 발전기 및 모터의 철심과 같은 자성 부분의 크기는 자성 코어가 포화되지 않도록 증가되어야 한다. 더 큰 코어 구조는 더 낮은 시스템 주파수를 사용할 수 있게 하므로 시스템 작동 최적화가 보다 넓은 범위에서 수행될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 원동기와 관련된 최적화된 특성은 원동기의 배출 레벨이다. 원동기의 연료 효율을 최적화하는 것과 관련된 전술한 실시예에서와 같이, 원동기의 배출물이 차트 또는 유사한 표를 형성할 수 있다. 이러한 차트는 원동기의 회전 속도와 생산된 전력의 함수로서 배출 레벨을 나타낸다. 본 실시예의 작동 및 구조는 원동기의 연료 소비량이 최적화되는 대신 배출 레벨이 최적화된다는 점을 제외하고는 연료 효율과 관련된 전술한 실시예와 유사하다. 원동기의 배출 레벨은 원동기의 소비가 최적화될 때 반드시 가장 낮지는 않다. 배출 레벨은 원동기의 유형 및 원동기에 사용되는 연료 유형에 따라 다르다. 또한, 배출 레벨의 최적화는 대기 오염 물질 또는 온실 가스와 같은 상이한 배출물에 기초할 수 있다. 본 실시예에 따라 작동할 때, 배출물의 선택된 특성은 원동기의 회전 속도를 조정함으로써 최적화되거나 바람직하게는 최소화된다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 원동기와 관련된 특성은 원동기의 소음 레벨이다. 원동기의 일부 회전 속도가 공진(resonances)을 깨우거나 다른 회전 속도보다 소음이 많으므로 원동기의 회전 속도는 침묵 작동이 선호되는 경우 소음 레벨에 따라 최적화된다. 상기 실시예와 같이, 차트 또는 룩-업 테이블은 상이한 회전 속도 및 전력 레벨을 갖는 소음 레벨로 형성될 수 있다. 이러한 침묵 모드에서 작동할 때, 소음 레벨을 최적화하는 원동기의 회전 속도가 선택된다. 차트 또는 룩-업 테이블이 형성 될 때, 최적화의 동작 및 구조는 전술한 바와 같다.

또한, 소음 레벨은 시스템이 작동하는 설정 회전 속도를 선택함으로써 최적화될 수 있다. 이러한 실시예에서, 원동기의 회전 속도는 고정되어 있으며, 원동기의 회전 속도는 변화하지 않는다. 이러한 실시예에서, 원동기의 회전 속도는 고정되어 있으며, 출력 레벨의 변화에도 불구하고 변하지 않는다. 소음 레벨의 최적화는 일부 상황에서 바람직할 수 있다. 예를 들어, 포트(port)로부터 출발할 때, 추진기 모터의 소음 레벨은 원동기의 회전 속도를 최저 허용 가능한 속도 또는 가장 낮은 소음 레벨을 제공하는 것으로 알려진 임의의 다른 회전 속도로 낮춤으로써 낮출 수 있다. 일부 경우에는 상기 추진기 모터가 AC 버스에 직접 연결되어 전압의 주파수에 따른 속도로 회전한다. 회전 속도 기준 및 이에 따른 주파수가 조정될 수 있을 때, 추진기의 회전 속도 또한 조정된다. 추진기로부터의 소음은 생산된 AC 전압의 적절한 주파수를 선택함으로써 최소화할 수 있다.

본 발명에 따라, 원동기에 대한 회전 속도 기준이 제공되므로, 생산된 전압의 주파수는 원동기에 대한 고정된 회전 속도 기준을 제공함으로써 공칭 주파수에 있도록 강제되거나 설정될 수 있다. 이는 효과적으로 사용시 최적화를 제거하고, 시스템은 전통적인 시스템으로서의 역할을 한다. 최적화는 언제든지 다시 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 연료 소비량의 최적화로 인해 원동기의 작동점이 변경된다. 얻은 절감액은 기존 운영 방식의 발전 시스템에 비해 최대 10 %까지 절약할 수 있다.

원동기의 회전 속도 및 이에 따른 전압의 주파수는 바람직하게는 전력 수요가 소정 기간 동안 안정한 경우에 최적화된다. 시스템의 회전 속도 기준은 전력 레벨의 각 변경에 따라 반드시 변경되지는 않는다. 일반적으로 장거리 항해는 대형 선박에서 이루어지므로 선박은 실질적으로 일정한 조건에서 장시간 작동된다. 선박의 속도가 일정한 이러한 긴 시간은 연료 소비량의 최적화를 위한 적절한 조건이다. 본 발명의 실시예에 따라, 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 발전기의 부하 레벨이 일정한 기간 동안 실질적으로 일정한 레벨에 있은 후 작동한다. 설정 시간은 예를 들어 10 내지 15분의 범위일 수 있다. 그러나 설정 시간은 변경된 조건에 보다 신속하게 최적화될 수 있도록 수동으로 원하는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 새로운 전력 레벨이 요구되고 순항 속도의 증가에 기인한 명령에 의해 도달되면, 전력 레벨 및 속도가 얻어지는 즉시 인원이 최적화를 개시할 수 있을 때, 인원에 의해 최적화가 개시되거나 강제될 수 있다.

선박 또는 배에서 생산된 전력의 주요 소비자는 일반적으로 추진 시스템이다. 따라서, 연료 소비량 또는 배출 레벨의 최적화는 바람직하게는 추진 시스템에 의해 사용되는 전력에 기초한다. 상기 언급된 실질적으로 일정한 부하 레벨은 증가 또는 감소하는 경향을 나타내지 않으나, 전력 레벨의 몇 퍼센트 범위 내의 변동으로 안정되어 있는 부하 레벨을 지칭한다.

도 1은 발전기의 공칭 주파수가 60 Hz일 때 원동기의 회전 속도 변화에 대해 발전기에 의해 생산된 전압의 출력 주파수의 가능한 변화를 가로축 아래로 나타낸다.

최적화에서, 연료 소비량을 최적화하기 위한 수단은 또한 발전기의 모형을 포함할 수 있다. 이러한 경우 발전기의 작동은 모형에서 시뮬레이션된다. 이 모형은 원동기와 관련된 특성 및 회전 속도가 다른 특성에 대한 추정치를 제공한다. 모형이 특정 회전 속도 값에서 최소 연료 소비량과 같은 최적화된 특성을 생성하면 회전 속도는 실제 공정에 대한 기준으로서 제공된다.

본 발명의 실시예에 따라 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은 원동기의 사용 중 최적화된 특성의 값을 수신하도록 구성된 수단을 포함한다. 이들 수신된 값은 바람직하게는 판독 가능한 룩-업 테이블 또는 유사한 데이터베이스를 생성하기 위한 최적화 전에 수집된다. 상기 값을 수신하기 위해 시스템은 시스템에서 측정된 값을 나타내는 신호를 수신한다. 이러한 값은 예를 들어 연료 소비량 데이터이다. 측정된 연료 소비량은 판독 가능한 차트, 지도, 룩-업 테이블 또는 유사한 데이터베이스가 형성될 수 있도록 회전 속도 및 전력 레벨 데이터와 함께 특성을 최적화하도록 구성된 수단에 전달된다.

룩-업 테이블과 같은 판독 가능한 데이터베이스는 또한 원동기의 제조사에 의해 제공될 수 있다. 그러나 그러한 데이터베이스가 제공되지 않으면 선박이 운행 중일 때 원동력 사용 중 형성될 수 있다. 이러한 경우, 선박 사용 중 발전기의 회전 속도는 수동으로 또는 상이한 전력 레벨의 특정 로직으로 조정된다. 연료 소비량과 같은 최적화된 특성은 최적화 목적으로 사용될 수 있는 데이터베이스를 형성하기 위해 측정되고 저장된다.

원동기와 관련된 임의의 측정 가능한 특성은 이러한 데이터베이스를 형성하기 위해 저장될 수 있으며, 데이터베이스를 기반으로 회전 속도를 특성을 최적화하는 값으로 변경함으로써 상기 특성을 최적화할 수 있다. 또한, 원동기의 특성이 사용 중에 변할 수 있고 원동기에 사용되는 가변성 연료가 작동의 최적 영역을 변경할 수 있으므로 측정된 데이터로 데이터베이스를 업데이트하는 것이 바람직하다.

본 발명의 시스템에 의해 생산된 AC 전압의 주파수는 50 Hz 또는 60 Hz로 고정되지 않는다. 일부 소비자 또는 부하가 작동을 위해 안정된 주파수를 요구하는 경우, 이러한 전압을 제공하기 위해 변환기를 사용하여 수행할 수 있다. 상기 변환기는 가변 주파수 AC 전압에 직접 연결된 주파수 변환기 또는 가능한 경우, DC 전압에 연결된 인버터일 수 있다. 발전기의 전압이 실질적으로 일정하게 유지되기 때문에, 다양한 부하에 있어 시스템에 사용되는 주파수 변환기는 활성 프런트-엔드(front-end) 변환기를 필요로 하지 않는다. 즉, 시스템의 주파수 변환기는 주파수 변환기에서 전압을 증폭할 필요가 없으므로 수동형 정류 브리지(rectifying bridges)를 사용하여 작동할 수 있다.

본 발명에 사용된 원동기는 에너지원으로부터 회전 운동을 생성하는 임의의 유형의 회전 기계 일 수 있다. 이러한 기계의 예시는 디젤 엔진, 가스 터빈 또는 연료 오일 또는 가스를 어떤 형태로든 사용하는 엔진과 같은 연소 엔진을 포함하되 이에 제한되지 않는다. 도 1의 차트는 또한 원동기와 관련된 특성을 최적화하는데 사용될 수 있는 차트의 예시로서 주어진다. 도 1의 차트는 본 발명으로 얻는 이점을 도시한다.

원동기의 샤프트에 연결된 발전기 유형은 임의의 특정 유형의 발전기로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 본 발명의 1 이상의 발전기는 동기 발전기(synchronous generator)이다. 그러나, 본 발명은 또한 다른 AC 발생기로 구현될 수 있다.

본 발명에 따라, 다상 전압의 진폭에 대한 기준값이 제공된다. 진폭에 대한 기준값은 일정한 값을 가질 수 있고, 이에 따라 발전기는 고정된 진폭이 생성되도록 작동하도록 된다. 알려진 바와 같이, 진폭에 대한 기준은 고정되어 있지만, 진폭은 시스템의 동적 변화를 고려하여 특정 한계 내에서 변할 수 있다. 예를 들어, 진폭은 공칭 전압 또는 정격 전압의 ±5 % 범위 내에서 변할 수 있다.

본 발명의 시스템은 적어도 3개의 동작점에서 작동하도록 되어있고, 동작점은 다상 전압의 주파수에 대한 다상 전압의 진폭의 비율에 의해 정의된다. 3개의 동작점은, 예를 들어, 전압의 진폭이 일정하고 주파수가 시스템의 공칭 주파수, 시스템의 최저 허용 주파수 및 시스템의 공칭 주파수의 90 %에 해당하는 주파수와 같이 3개의 상이한 값을 갖는 동작점일 수 있다. 또한, 3개의 동작점은 주파수가 일정하고 전압이 공칭 전압의 100 %, 98 % 및 97 %의 값을 갖는 동작점일 수 있다. 최소한 3 이상의 동작점이 여러가지 방법으로 달성될 수 있음은 분명하다.

일 실시예에 따르면, 동작점은 공칭 주파수와 공칭 전압에서 가장 낮은 값을 갖는다. 상기 전기적 동작점은 전압/주파수 평면에서의 작동을 정의한다. 비율의 최저값이 도 4에 도시된 바와 같이 공칭 주파수 (f_nom) 및 공칭 전압 (V_nom)에 있을 때, 다른 가능한 동작점들은 도 4의 일정 비율의 선 (41) 위에 위치한다. 전기 시스템의 주파수가 알려진 상수 볼트-헤르츠(Volts/Hertz)-비율을 사용하여 변경되면 상기 정의된 동작점은 일정하게 유지되며 언급된 선 (41)을 따른다.

본 발명에 따르면, 발생 전압의 진폭은 주파수와 함께 변화하여, 일정한 전압/헤르츠 비율이 유지되지 않도록 조정된다. 예를 들어, 주파수가 공칭 주파수의 75 %일 수 있는 최저 허용치에 있을 때, 예를 들어, 전압의 진폭은 정격 값보다 5 % 낮아진다. 전압의 진폭이 이와 같이 감소하면, 자기 구성 요소는 포화되지 않고 보통보다 약간 높은 자속만을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 이러한 방식으로, 전압은 더 작은 주파수 변동에 대해 정격 값으로 유지될 수 있고 높은 주파수 감소시에만 감소 될 수 있다. 주파수에 대한 전압 진폭의 변화는 선형일 필요는 없다. 회전 속도 기준 및 전압 진폭 기준은 발전기-원동기 조합과 별도로 제공된다. 기준은 서로 독립적이지만 기준 사이에 일정한 관계가 제공될 수 있다. 또한, 전압의 주파수와 진폭의 관계를 설정하면, 회전 속도 기준이 주어질 때 표 등으로부터 진폭 기준을 판독할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 다상 전압의 진폭에 대한 기준값은 자속의 크기의 최대 변화가 자속의 정격 크기의 대략 5 %로 제한되도록 자속의 크기의 변화를 감소시키기 위해 변경된다.

주파수에 대한 전압의 약간의 조정은 기존 설비가 모든 구성 요소를 변경하지 않고 가변 주파수 시스템으로 변경되는 개조 응용 분야에 적합하다. 이러한 연결에서, 기존의 자성 부품의 자기 설계가 분석되고 주파수-전압 특성이 시스템 부품을 준수하도록 정의된다. 새로운 설치와 관련하여 전압의 진폭을 약간 낮추면 시스템 부품의 자기적 특성을 설계할 수 있다. 전압의 진폭이 낮아질 때, 자심(magnetic cores)은 다소 작게 만들어질 수 있다. 그러나 전압의 진폭이 감소하면 단일 소비자가 사용할 수 있는 전력이 줄어들고 시스템 작동 최적화가 다소 저하된다.

상기에서, 시스템은 선박 또는 선박과 관련하여 설명된다. 이 시스템은 원동기로 회전하는 발전기를 사용하여 전기 에너지를 생산하는 별도의 마이크로 그리드로(micro-grid) 사용할 수도 있다.

기술이 발전함에 따라, 본 발명의 개념이 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명 및 그 실시예는 상술한 예들에 한정되지 않고 청구범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (19)

1. 전기 에너지를 생산하기 위한 1 이상의 발전기를 포함하는 전기 발전 시스템으로서, 각 발전기는 대응하는 원동기로 구동되도록 배열되고, 여기서
   상기 발전기는 주파수 및 진폭을 갖는 다상 전압을 발생시키는 다상 AC 발전기이고,
   상기 발전기의 위상 출력은 AC 발전기에 의해 생산된 전기 에너지를 분배하기 위한 공통의 다상 버스에 연결 가능하고,
   상기 시스템은 원동기의 회전 속도 및 다상 전압의 진폭에 대한 독립적인 기준값을 제공하기 위한 추가 수단을 포함하며, 상기 원동기의 회전 속도는 다상 전압의 주파수를 정의하고, 그리고
   상기 시스템은 상기 제공된 독립적인 기준값에 기반하여 3 이상의 동작점에서 작동하도록 되어 있고, 동작점은 다상 전압의 주파수에 대한 다상 전압의 진폭의 비율로서 정의되며, 여기서 3 이상의 동작점은 상이한 것인, 전기 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기 발전 시스템은 원동기의 회전 속도에 대한 기준값을 조정함으로써 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단을 포함하는 것인, 전기 발전 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은
   원동기의 회전 속도 및 원동기의 로딩 레벨의 함수로서 최적화된 특성을 나타내는 판독 가능한 데이터베이스와, 상기 원동기의 알려진 로딩 레벨에 기반하여 상기 데이터베이스를 판독하고 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 회전 속도 기준을 출력하는 수단을 포함하는 것인, 전기 발전 시스템.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은
   상기 원동기의 사용 중 최적화된 특성의 값을 수신하는 수단, 및
   판독 가능한 데이터베이스의 각각의 로딩 레벨 및 회전 속도와 함께 최적화된 특성의 수신된 값을 저장하는 수단을 포함하는 것인, 전기 발전 시스템.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은 전력관리시스템과 같은 상위 레벨 제어 시스템에 통합되는 것인, 전기 발전 시스템.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은 바람직하게는 1 이상의 발전기의 공칭(nominal) 회전 속도의 60 %인 원동기의 회전 속도 기준에 대한 하한값을 더 포함하는 것인 전기 발전 시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1 이상의 AC 발전기는 삼상(three-phase) 발전기인 것인 전기 발전 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기 장치는 고정된 주파수를 갖는 전압을 생산하기 위해 공통의 다상 버스에 연결되거나 또는 DC 전압을 생산하기 위해 공통의 다상 버스에 연결되는 것인 전기 발전 시스템.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은 발전기의 부하 레벨이 일정시간 동안 실질적으로 일정한 수준으로 유지된 후 작동되는 것인 전기 발전 시스템.
10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성을 최적화하는 수단은 작동되는 원동기의 수를 선택하는 것인 전기 발전 시스템.
11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성은 원동기의 연료 소비량인 것인 전기 발전 시스템.
12. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성은 원동기의 배출(emission) 레벨인 것인 전기 발전 시스템.
13. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기와 관련된 특성은 원동기의 소음 레벨인 것인 전기 발전 시스템.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원동기의 회전 속도 기준은 고정된 값으로 조정되는 것인 전기 발전 시스템.
15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다상 전압의 진폭에 대한 기준값은 일정하고 다상 전압의 주파수는 원동기의 회전 속도에 대한 기준값을 조정함으로써 조정되는 것인 전기 발전 시스템.
16. 제15항에 있어서, 전기 발전 시스템의 자성 부품의 자속의 크기는 생산된 전압의 주파수가 변할 때 변하는 것인 전기 발전 시스템.
17. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다상 전압의 진폭에 대한 기준값은 자속의 크기의 최대 증가가 자속의 정격 크기의 대략 5 %로 제한되도록 자속의 크기의 변화를 감소시키도록 변하는 것인 전기 발전 시스템.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 전기 발전 시스템을 포함하는 선박.
19. 전기 에너지를 생산하기 위한 1 이상의 발전기를 포함하고, 각 발전기는 대응하는 원동기로 구동되는 전기 발전 시스템을 이용한 방법으로서,
    다상 전압의 주파수를 정의하는 원동기의 회전 속도 및 발전기의 다상 전압의 진폭에 대한 독립적인 기준값을 제공하는 단계;
    상기 발전기의 위상 출력을 AC 발전기에 의해 생산된 전기 에너지를 분배하기 위해 공통의 다상 버스로 연결하는 단계; 및
    상기 제공된 독립적인 기준값에 근거하여 3 이상의 동작점에서 발전기를 작동시키는 단계로서, 동작점은 다상 전압의 주파수에 대한 다상 전압의 진폭의 비율에 의해 정의되고, 여기서 3 이상의 동작점은 서로 다른 것인 단계;를 포함하는 전기 발전 방법.

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