KR20200071116A - 다중 엔진 옵티마이저 구역 전략 - Google Patents

다중 엔진 옵티마이저 구역 전략 Download PDF

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KR20200071116A
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제임스 채스
페리 디. 컨버스
마이클 에이. 스놉코
크리스 더블유. 멘지
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캐타필라 인코포레이티드
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Abstract

복수의 엔진 발전기(102)를 갖는 전원 시스템(100)은 순간 전력 소비(504)를 복수의 전력 소비(504) 구역(404) 경계와 비교하고, 전력 소비(504)를 선택된 구역(404)으로 분류한다. 각각의 구역(404)은 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위(306) 값을 포함하는데, 이들 값은 복수의 엔진 발전기(102)에 배분된다.

Description

다중 엔진 옵티마이저 구역 전략
본 특허 개시는 일반적으로 발전 플랜트(power generation plants), 보다 구체적으로는 해양 응용 분야용 발전 플랜트에 관한 것이다.
선박 및 다른 구조물(예: 플랫폼)은 종종 추진 장치(propulsion system), 드릴링 장치 등과 같은 하나 이상의 주 부하 및 난방, 환기와 공조(HVAC), 조명, 펌프 등과 같은 다양한 보조 부하를 작동시키기 위한 발전기 및/또는 기계 시스템을 구동하는 다수의 엔진을 포함한다. 엔진은 기계적으로 부하에 연결되거나 발전기를 통해 전기적으로 부하에 연결될 수 있다. 일부 응용예에서, 선박의 부하는 하이브리드 배열을 통해 기계적 및 전기적 둘 다로 구동될 수 있다.
통상적인 응용예에서, 각각이 엔진에 의해 작동되는 다양한 발전기는 하나 이상의 전기적 버스(BUS)를 이용해 연결되고, 이들 발전기가 연결되는 버스 상의 당시의 전기 부하에 따라 이들의 정격 출력에 비례하여 거의 동일한 전력을 생산하도록 작동된다. 예를 들어, 특정 해양 선박은 4개의 동일한 엔진을 가질 수 있으며, 각각의 엔진은 약 5,000 kW를 생산할 수 있는 발전기를 구동시킨다. 작동 중에, 전기 버스에 가해지는 장하(loading)가 약 4,000 kW를 소비할 때, 엔진/발전기 세트는 각각 약 1,000 kW를 생산하도록 작동될 수 있다. 부하가 변할 때, 모든 엔진은 버스 상의 부하 소비와 일치하도록 더 높거나 더 낮은 생산량으로 작동된다.
이러한 유형의 작동은 종종 엔진의 정태 작동(steady state operation) 및 일시 작동(transient operation) 둘 다의 관점에서, 비효율적인 작동 조건에서 엔진을 작동시킬 수 있다. 비효율적인 작동은 많은 연료 소비를 포함할 수 있고,다양한 작동 파라미터들의 관점에서의 바람직하지 않은 작동 조건을 포함할 수도 있다.
이러한 맥락에서, 전반적인 시스템 운영을 개선하기 위한 다중 엔진 시스템의 작동 방식을 변경하는 것이 과거에 제안된 적이 있다. 예를 들어, 미국 특허출원 공개 제2016/0259356호("Converse")는 전력 공급원 각각이, 각 전력 공급원의 현재 작동 모드에 기초하고 시스템에 대한 전체 부하 요구에도 기초하여 복수의 특정 구역에서 작동하도록 제어되는 전력 시스템을 기술한다. 특히, Converse는 시스템의 전체 전력이 연료 소비, 일시적 응답, 방출, 시스템 마모 등을 포함하는 임의의 수의 성능 목표에 기초하여 복수의 전력 공급원들 사이에 균등하게 또는 불균등하게 배분되는 제어 장치(control arrangement)를 기술한다.
본 개시는, 일 양태에서, 선박용 전력 시스템을 기술한다. 전력 시스템은 복수의 엔진 발전기(genset)를 포함하고, 각각의 엔진 발전기는 발전기에 연결된 엔진을 포함하므로, 복수의 엔진 발전기는 복수의 엔진 및 복수의 발전기를 포함한다. 복수의 발전기는 선박의 전기 버스에 전력을 제공하도록 구성되는데, 전기 버스는 선박에 탑재된 하나 이상의 전력 소비 장치 또는 시스템에 연결된다. 적어도 하나의 센서는 전기 버스에 결합되고 작동 중에 전기 신호를 제공한다. 전기 신호는 전기 버스를 통한 전력 소비를 표시한다. 전력 소비는 시간의 경과에 따라 변하고, 센서는 실시간으로 전기 신호를 제공하도록 구성된다.
전자 제어기(electronic controller)는 복수의 엔진 발전기 및 적어도 하나의 센서와 결합된다. 전자 제어기는 작동 중에 전기 신호를 모니터링하여 순간 전력 소비를 결정하고; 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 경계와 비교하여 해당 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 중 선택된 하나의 구역으로 분류하고(복수의 전력 소비 구역 각각은 상응하는 기준 전력(base power)과 상응하는 동적 범위(dynamic range)를 포함함); 선택된 하나의 구역의 상응하는 기준 전력과 상응하는 동적 범위를 복수의 엔진 발전기에 배분하고; 복수의 엔진 발전기의 각 엔진 발전기에 할당된, 하나의 선택된 구역의 기준 전력 값과 동적 영역 값 중 상응하는 부분에 기초하여 복수의 엔진 발전기의 각 엔진 발전기를 작동시키기 위한 명령 신호를 제공하도록 프로그래밍되고 구성된다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 해양 선박용 전력 시스템을 기술하며, 상기 전력 시스템은 복수의 엔진 발전기를 포함하고, 각각의 엔진 발전기는 발전기에 연결된 엔진을 포함하는데, 여기서, 복수의 발전기는 해양 선박의 전기 버스에 연결되고, 해양 선박의 전기 버스는 해양 선박에 탑재된 하나 이상의 전력 소비 장치 또는 시스템에 연결된다. 전력 시스템은 전기 버스와 결합된 적어도 하나의 센서를 포함하며, 적어도 하나의 센서는 작동 중에 전기 신호를 제공하고, 전기 신호는 전기 버스를 통한 전력 소비를 표시하는는데, 여기서, 전력 소비는 시간의 경과에 따라 변하고, 적어도 하나의 센서는 실시간으로 전기 신호를 제공하도록 구성된다.
전자 제어기는 복수의 엔진 발전기 및 적어도 하나의 센서와 결합된다. 전자 제어기는 작동 중에 전기 신호를 모니터링하여 순간 전력 소비를 결정하고; 일정 기간에 걸쳐 순간 전력 소비를 기록된 값으로 기록하고; 기록된 값을 분석하여 복수의 전력 소비 구역 경계를 결정하고; 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 경계와 비교하여 해당 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 중 선택된 하나의 구역으로 분류하고(복수의 전력 소비 구역 각각은 상응하는 기준 전력 값과 상응하는 동적 범위 값을 포함함); 선택된 하나의 구역의 상응하는 기준 전력 값과 상응하는 동적 범위 값을 복수의 엔진 발전기에 배분하고; 각각의 엔진 발전기에 할당된 하나의 선택된 구역의 상응하는 기준 전력 값과 상응하는 동적 영역 값에 기초하여 복수의 엔진 발전기의 각 엔진 발전기를 작동시키기 위한 명령 신호를 제공하도록 프로그래밍되고 구성된다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 해양 선박용 전력 시스템을 작동하기 위한 방법을 기술하며, 전력 시스템은 해양 선박의 전기 버스에 연결된 복수의 엔진 발전기를 포함하고, 해양 선박의 전기 버스는 해양 선박에 탑재된 하나 이상의 전력 소비 장치 또는 시스템에 연결된다. 상기 방법은: 전기 버스에 결합된 센서를 사용해 전기 버스를 통한 전력 소비를 표시하는 전기 신호를 전자 제어기에 제공하는 단계; 전자 제어기로 전기 신호를 모니터링하여 순간 전력 소비를 결정하는 단계; 한 세트의 기록된 값을 전자 제어기에서 컴파일(compiling)하는 단계(기록된 값은 일정 기간 동안의 순간 전력 소비를 시간과 관련하여 표시하는 것임); 전자 제어기로 기록된 값을 분석하여 복수의 전력 소비 구역 경계를 결정하는 단계; 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 경계와 비교하여 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 중 선택된 하나의 구역으로 분류하는 단계(복수의 전력 소비 구역 각각은 상응하는 기준 전력 값과 상응하는 동적 범위 값을 포함함); 선택된 하나의 구역의 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위 값을 복수의 엔진 발전기에 배분하는 단계; 및 각각의 엔진 발전기에 할당된 하나의 선택된 구역의 기준 전력 값과 동적 영역 값에 기초하여 복수의 엔진 발전기의 각 엔진 발전기를 작동시키기 위한 명령 신호를 제공하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 개시에 따라 다수의 전력 공급원을 포함하는 전력 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 개시에 따른 전력 시스템 제어기의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진 부하 할당의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 시스템 내의 전력 공급원에 대한 작동 구역의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 시스템에 대한 예시적인 구역 할당을 도시하는 히스토그램이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법에 대한 흐름도이다.
본 개시는 다중 엔진 시스템의 관리 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 전기 부하가 연결되는 하나 이상의 전기 버스와 결합된 발전기를 작동시키는 복수의 엔진을 복수의 미리 정의된 작동 구역에 따라 작동시키는 관리 시스템에 관한 것이다. 작동 구역은, 시스템이 개선된 효율과 원하는 속성으로 정태 작동 모드 및 일시 작동 모드로 작동할 수 있도록 시스템의 작동 일정 또는 이력에 기초하여 자동으로 결정된다. 일부 구현예에서, 시스템의 용량에 기초한 최적화 솔루션 세트가 결정되고, 그런 다음 특정 시스템에 속하는 다양한 엔진에 할당된다. 최적화 솔루션 세트는 엔진 작동 목표 또는 설정 값(setpoint)을 포함하는데, 이는 당시 작동 조건의 스냅샷(snapshot) 및/또는 수집된 시스템의 과거 성능 데이터에 기반한다. 일부 구현예에서, 최적화 솔루션 세트는 추가로 작동 프로파일에 기초할 수 있는데, 이는 동시에 또는 예측 가능한 방식이나 순서로 온라인 또는 오프라인 상태가 되는 하중의 알려진 조합에 기초하여 결정된다. 최적화 솔루션은 추가로, 알려진 사용 패턴에 기초하여 온라인 또는 오프라인 상태가 되는 부하의 기대치 또는 확률에 기초할 수 있는데, 이러한 사용 패턴은 제어기에 의해 경험적으로 결정되거나 미리 정의된다. 최적의 엔진 가동 조건은 다양한 설정점에 대해 결정되고, 경계는 각 엔진에 대한 작동 구역 또는 범위를 생성하기 위한 각각의 조건을 중심으로 설정된다. 각각의 구역은 시스템의 각 엔진에 대해 상이한 범위 및 상이한 설정점을 포함할 수 있고, 다수의 구역은 작동 중에 시스템이 생산하는 전력의 범위로서 정의되는, 각 시스템의 작동 범위를 커버하도록 정의될 수 있다. 시스템의 작동 구역은 시스템의 이력 및 시스템의 당시 생산량 부하에도 기초하여 결정된다. 시스템이 구역 간의 경계 조건에 근접하는 경우, 시스템은 현재 구역 위 또는 아래에 있을 수 있는 다음 작동 조건 또는 구역으로 자동으로 전환된다. 구역은 시스템 전체의 안정성 및 효율 개선을 위해, 일시적인 시스템 작동 중에 히스테리시스를 제공하도록 중첩될 수 있다.
전력 시스템의 다양한 주 구성요소를 도시하기 위한 전력 시스템(100)의 블록도가 도 1에 도시되어 있지만, 도시된 것들보다 더 많거나 적은 구성요소가 주어진 전력 시스템을 구성할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 전력 시스템(100)은 보트 또는 부유 플랫폼(floating platform)과 같은 해양 선박 내에 존재하고 작동할 수 있다. 전력 시스템(100)은 복수의 엔진 발전기(102)를 포함하고, 복수의 엔진 발전기(102)의 각각은 발전기(106)에 연결되어 이를 작동시키는 엔진(104)을 포함하므로, 복수의 엔진 발전기(106)가 전력 시스템(100) 내에 존재한다. 예시된 구현예에는 4개의 엔진 발전기(102)가 도시되어 있지만, 4개보다 적거나 많은 엔진 발전기가 사용될 수 있다. 또한 예시된 실시예에서, 엔진 발전기(102) 중 2개는 이와 결합된 더 큰 변위 엔진(104)을 가짐으로써, 더 작은 용량을 갖는 나머지 2개의 엔진 발전기(102)에 의한 것보다 더 큰 전력 출력을 만들어낼 수 있다는 것을 알 수 있다.
복수의 엔진 발전기(102)의 각각은 전기 버스(110)에 전력(108)을 제공하도록 동작한다. 센서(112)는 각각의 엔진 발전기(102)로부터의 전력(108) 생산량 또는 버스(110)에 대한 전력 기여도를 모니터링할 수 있고, 시스템(100)의 일부로서 포함되는 마스터 제어기(114)에 대한 전력 기여도를 표시하는 상응하는 신호를 제공할 수 있다. 버스(110)와 결합된 마스터 제어기(114)로서, 엔진(104)과 결합되어 엔진에 제어 정보를 제공하는 통신 채널(116)을 또한 포함하는 마스터 제어기는, 작동 중에 버스(110)에서 충분한 전력이 이용될 수 있도록 버스의 전압 및 기타 전기적 파라미터를 모니터링한다. 따라서, 버스에 연결된 부하의 전력 소비가 증가할 때마다, 마스터 제어기(114)는 엔진(104) 중 하나 이상이 이들의 전력 생산량(108)을 증가시키도록 명령할 수 있고, 반대로, 버스에 연결된 부하에 의한 전력 소비가 감소할 때, 마스터 제어기(114)는 엔진(104)이 이들의 전력 생산량을 감소시키도록 명령함으로써 발전기(106)에 의해 생산되는 전력(108)을 감소시킬 수 있다.
마스터 제어기(114)는 프로그램 가능한 로직 컨트롤러(PLC)이거나, 일반적으로 컴퓨터 실행가능 명령이나 로직 명령 또는 프로그램에 따라 작동하는 전자 제어기 또는 컴퓨터일 수 있다. 일부 구현예에서, (전자 제어기를 포함하는) 마스터 제어기(114)는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용해 구현될 수 있다. 마스터 제어기(114)는 단일 제어기이거나, 시스템(100) 및/또는 시스템(100)이 작동하는 기계, 예컨대 해양 선박의 다양한 기능 및/또는 특징을 제어하도록 배치된 2개 이상의 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 선박의 전체적인 작동과 기능을 제어하는 데 사용되는 제어기는, 마스터 제어기(114) 및/또는 엔진(104)을 제어하는 데 사용되는 엔진 제어기와 같은 하나 이상의 추가 제어기를 사용해 협력하는 방식으로 구현될 수 있다. 본 구현예에서, 용어 "제어기(controller)"는 시스템(100)과 결합될 수 있고 시스템(100)의 다양한 기능 및 작동을 제어하는 데 협력할 수 있는 1개, 2개 또는 그 이상의 제어기를 포함하도록 의미를 갖는다. 마스터 제어기(114)의 기능은 단지 예시적인 목적을 위해 다양한 개별 기능을 포함하도록 본원에서 개념적으로 기술되었지만, 이는 기술된 개별 기능과 상관없이 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 따라서, 제어기의 다양한 인터페이스가 전력 시스템(100)의 구성요소에 대해 상대적으로 기술되어 있지만 인터페이스는 연결되는 구성 요소의 유형 및 개수를 제한하거나, 기술되는 제어기의 수를 한정하도록 의도되지 않는다.
작동 중에, 전력 시스템(100)이 설치된 기계 또는 선박의 다양한 구성요소 및 시스템은 버스(110)로부터 전력을 소모함으로써 작동하게 된다. 예를 들어, 추진 모듈(118)(2개 도시됨) 및 다른 전력 소비체(120), 예컨대 HVAC 시스템, 드릴링 기계, 조명 시스템 등은 버스(110)에 연결되어 이로부터 전력(122)을 소모한다. 마스터 제어기(114)와 통신하는 센서(124)는 버스(110)로부터의 전력 사용을 모니터링할 수 있고, 전력 사용을 표시하는 신호를 마스터 제어기(114)에 제공할 수 있다. 안정한 시스템의 경우, 버스(110)의 전압이 허용 가능한 범위 내에서 유지될 수 있도록, 버스(110)로의 순 전력 입력은 버스(110)로부터의 순 전력 출력(122)과 동일해야 한다. 이는, 추진 모듈(118)이 활성화 또는 비활성화되거나 상이한 속도로 작동할 때는 물론이고, 다른 전력 소비체(120)가 온라인 또는 오프라인 상태가 될 때, 버스(110)에 대한 전력 출력(122)이 변하게 됨을 의미하는데, 이는 마스터 제어기(114)에 의해 엔진 발전기(102)로부터 버스(110)로의 전력 입력에 상응하는 변화를 야기하게 된다. 이러한 작동 원리는, 발전기에 추가하여 엔진(104) 중 일부가 기계적 전력 소모체(예: 프로펠러 샤프트)를 구동하는 추가의 기계적 출력을 포함할 수 있는 하이브리드 전기 시스템과 유사할 것이다.
제어기(200)에 대한 블록도가 도 2에 도시되어 있다. 제어기(200)는 본원에서 논의된 다양한 제어 기능을 수행하기 위한 마스터 제어기(114)(도 1) 내에서 동작할 수 있다. 제어기(200)는 전원(100)의 작동 파라미터를 포함하는 다양한 입력과 출력, 및 본 개시에 대한 적어도 하나의 관점에서, 엔진(104)의 작동을 제어하기 위한 시스템(100)에 관한 정보를 처리하는 프로세서를 포함한다(도 1). 보다 구체적으로, 제어기(200)는 다양한 입력(202)을 수신하도록 구성되며, 입력의 각각은 전기 버스와 결합된 각 전력 소비 장치 또는 시스템의 실시간 또는 순간 전력 소비를 표시하는 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 입력(202)은 버스(110)에 연결되는 추진 모듈(118) 및 다른 전력 소비체(120)의 전력 소비를 모니터링하는 센서(124)(도 1)에 의해 제공되는 신호일 수 있다.
입력(202)는 프로세서(204)에 제공되는데, 프로세서는 전력 시스템(100)과 같은 전력 시스템의 총 소비 전력을 모니터링한다. 프로세서(204)는 복수의 입력(206)을 추가로 수신하는데, 복수의 입력은 버스에 대한 복수의 엔진 발전기 각각의 전력 기여도, 예를 들어, 도 1에 도시된 센서(112)에 의해 측정하거나 결정했을 때, 버스(110)에 대한 엔진 발전기(102)의 전력 기여도(108)를 표시하는 신호를 나타낸다. 작동 중에, 프로세서(204)는 입력(202 및 206)에 의해 표시된 바와 같이 버스에 대해 전력 입력과 출력의 균형을 이룸으로써, 엔진 발전기에 명령을 제공하여 버스에서 제어된 전압을 유지하도록 이들의 출력을 제어한다. 프로세서(204)는 이러한 기능을 달성하기 위해, 폐쇄 루프 제어 시스템, 모델 기반 알고리즘, 학습 알고리즘 등을 포함하지만 이들로 한정되지 않는 임의의 알려진 제어 방식에 기초하여 작동할 수 있다. 프로세서(204)로부터의 명령은 모든 엔진에 대해 명령 신호(208)의 형태로 제공되는데, 이는 분배기(210)에 의해 개별 명령(212)으로 나누어져 각각의 엔진 발전기에게 각각 전달된다.
제어기(200)가 선박이나 다른 응용 분야에 먼저 설치될 때, 프로세서(204)는, 전력 소비 수준을 특정 범위 또는 구역으로 범주화하기 위해 시스템의 작동을 일정 기간 동안 모니터링하는 컨디셔닝(conditioning), 교정(calibration) 또는 학습 단계를 거친다. 이러한 학습 단계 동안, 프로세서(204)는, 과거의 경우와 같이 제한없이 엔진 발전기를 제어할 수 있지만, 시간에 따른 일련의 소비 수준을 시간에 대해 컴파일하기 위한 사용 정보를 수집할 수 있고, 이어서 프로세서는 이러한 정보를 히스트그램(214)으로 자동 컴파일하거나, 동등하게, 평균 및 표준 편차를 갖는 데이터의 시계열 집합으로 컴파일한다. 시스템 작동의 다양한 구역을 나타내는 히스토그램(214) 또는 동등한 데이터 표현(예: 시계열 데이터 집합)이 생성되고, 이는 작동 중에 사용하기 위해 제어기(200)의 비휘발성 메모리에 저장되는데, n개의 구역이 있는 경우, 각각의 구역은 시스템이 작동 수명의 1/n을 소비하는 작동 지점을 나타낸다. 대안적인 구현예에서, 공지된 서비스 프로파일을 갖는 애플리케이션의 경우, 히스토그램은 제어기(200)에 제공되고 저장될 수 있다.
도 2에 도시된 구현예에 대해, 프로세서(204)는 시스템의 전체 작동 범위를 커버하기에 충분한 구역의 수를 먼저 결정하게 된다. 구역은 시스템의 작동 범위를 서브세트로 분할하는 것에 기초하여 결정되고, 각각의 서브세트는 기준 전력 등급 및 이와 결합된 동적 전력 범위를 갖는다. 기준 전력 범위와 동적 전력 범위는 시스템의 작동 범위 이내에서 선택되고, 보다 전형적이거나 예상되는 시스템의 작동 지점을 나타낸다. 이어서, 프로세서는 구역에 대한 특정 시스템 출력을 반영하는 바람직한 작동 지점을 중심으로 각각의 구역을 최적화하게 된다. 시스템의 출력 전력 변동성의 정도와 빈도에 기초하여, 프로세서(204)는 각 구역의 바람직한 작동 지점의 위와 아래에서 범위를 추가로 정의하게 되는데, 이 범위는 각각의 구역에 대한 동적 범위를 구성한다. 따라서, 프로세서는 각각의 구역에 의해 커버되는 출력 값의 범위를 정의할 수 있다. 전술한 바와 같이, 고도로 가변적인 시스템의 경우, 구역 범위는 시스템의 안정성을 제공하도록 중첩될 수 있다. 시스템이 작동하는 작동 지점의 집합으로서 본원에서 정의되는, 시스템의 전체 작동 범위를 커버하는 구역들이 정의되었으면, 시스템의 순간 전력 소비를 커버하는 특정 작동 구역에 따라 제어기(200)에 의한 엔진 또는 엔진 발전기 제어가 수행될 수 있다.
프로세서(204)의 작동 원리를 예시하기 위해, 예시적인 작동 구역에서 시스템은 각각이 발전기를 작동시키는 4개의 엔진을 포함할 수 있다. 발전기 중 2개는 나머지 2개의 발전기보다 높은 발전 용량을 가질 수 있다. 이는, 큰 용량의 발전기는 정태에서 작동되는 것이 더 효율적인 큰 배기량의 엔진에 의해 작동될 수 있고, 2개의 작은 용량의 발전기는 일시 모드에서 작동되는 것이 더 효율적인 2개의 작은 엔진에 의해 작동될 수 있다는 것을 의미한다. 구역은 약 4,000 kW의 전력 출력을 커버할 수 있다. 제어기(200)는 하기 표 1에 제공된 바와 같이 특정 구역에 대해, 4개의 엔진 각각에 명령을 내릴 수 있다:
엔진 발전기 # 용량 출력(kW) 변동성(kW)
1 큼 1,500 ±100
2 큼 1,500 ±150
3 작음 500 ±300
4 작음 500 ±350
합계 -> 4,000 1,800
이러한 맥락에서, 제어기에 의한 엔진 명령은 각각의 엔진에 제공되는 연료 명령을 포함할 수 있는데, 이는 각 엔진의 전력 출력을 결정하고, 따라서 엔진에 연결되는 발전기의 전력 입력과 출력을 결정한다.
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 2개의 큰 엔진 발전기는 큰 전력 출력으로 작동될 수 있지만 작은 용량의 엔진 발전기보다 더 적은 양만큼 출력을 변화시킬 수 있으며, 작은 용량의 엔진 발전기는 낮은 전력 출력으로 작동되지만 그 출력을 더 많이 변화시킬 수 있다. 각 엔진 발전기의 특정 전력 출력은 복수의 작동 구역 각각에 대해 선택되고 최적화될 수 있으며, 이들 구역은 전체적으로 엔진의 전체 작동 범위에 집합적으로 걸쳐 있다. 제어기에 의한 특정 구역의 선택 또는 식별은 특정 선박이나 응용 분양에 대해 한 번에 이루어질 수 있거나, 선박의 각 운행 모드에 대해 또는 선박과 연관된 각 응용 분야에 대해 반복될 수 있다. 예를 들어, 선박의 동적 위치 설정 모드(dynamic positioning mode)용 특정 구역은 선박의 항해 모드(transit mode)용 특정 구역과 다를 수 있는데, 이는 선박의 전진 항해 모드(pulling mode)용 특정 구역과 다를 수 있다. 특정 엔진 발전기가 작동할 수 있는 장소를 결정할 때 고려할 수 있는 다른 요인에는 각 엔진 발전기의 수명, 각 엔진 발전기가 마지막으로 운행된 이후의 작동 시간, 및 각 엔진 발전기의 성능에 영향을 미칠 수 있는 다른 요인이 포함된다. 즉, 각 구역에서 각각의 엔진 발전기를 작동시키는 것은 전체 시스템의 작동을 더 효율적으로 만들기 위해 각각의 특정 엔진 발전기에 맞춰질 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 엔진 발전기에 대한 정보는 사용자가 데이터 파일(216)의 형태로 프로세서(204)에 제공할 수 있다.
일반적으로 엔진 발전기가 일시적인 작동 모드 동안 덜 효율적으로 작동할 수 있다는 것을 감안하면, 복수의 엔진 발전기 각각에 대해 일시적인 부하를 할당하는 것은 엔진 발전기들이 동일한 전력 출력 용량을 갖는 경우에도 변할 수 있다. 특정 구역에서 작동하는 시스템 내의 엔진 발전기 간에 전력을 할당하는 것의 추가적인 예는 도 3에서, 3개의 엔진 발전기를 포함하는 시스템에 대해 그래픽으로 도시되어 있다. 본 도시에서, 시스템(300)은 동등한 용량을 갖는 3개의 엔진 발전기(302)를 포함한다. 도면의 좌측에 도시된 제1 엔진 발전기(302)는 약 4,000 kW의 기준 전력 출력(304)으로 작동하고, 동적 범위(306)는 약 1,000 kW일 수 있다. 이는, 도시된 구역의 경우, 제1 엔진 발전기(302)가 4,500 kW의 기준선 출력으로 작동하고, 동적 범위는 ±500 kW일 수 있음을 의미한다.
도면의 중간에 도시된 제2 엔진 발전기(302) 또한 약 4,000 kW의 기준선 전력 출력(308)로 작동하고, 동적 범위(310)는 약 1,000 kW일 수 있는데, 이는 도시된 구역에 대한 제1 엔진 발전기(302)와 유사하게 제2 엔진 발전기(302)가 4,500 kW의 기준선 출력으로 작동하고, 동적 범위는 ±500 kW일 수 있음을 의미한다.
도면의 우측에 도시된 제3 엔진 발전기(302)는 약 1,000 kW의 기준 전력 출력(312)으로 작동하고, 동적 범위(314)는 약 4,000 kW일 수 있다. 이는, 도시된 구역의 경우, 제3 엔진 발전기(302)가 3,000 kW의 기준선 출력으로 작동하고, 동적 범위는 ±2,000 kW일 수 있음을 의미한다. 따라서, 전체 시스템(300)으로는, 기준 전력 출력이 약 12,000 kW이고, 동적 범위는 ±3,000 kW일 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 정태 부하 및 일시적인 부하를 엔진 간에 불균일하게 할당하는 것에 의해 효율성(예: 연료 소비, 배출량 등)이 얻어질 수 있다면, 각각의 구역은 도 3에 도시된 구역과 유사하게 기준 부하와 동적 부하를 상이한 엔진에 할당할 수 있다. 불균일하게 할당하는 것은, 연료를 보존하고 배출량을 감소시키기 위해 시스템의 높은 전력 출력을 필요로 하지 않는 특정 작동 구역에 대해 엔진 발전기를 완전히 정지시키는 것을 포함할 수도 있다.
도 4에는 전력 시스템(400) 내의 현재 구역(404) 사이에서 전력을 배분하는 것뿐만 아니라, 현재 구역(404) 위의 구역(406) 사이에서 및 현재 구역(404) 아래의 구역(402) 사이에서 전력을 분배하는 것에 대한 그래픽 표현이 도시되어 있다. 본 도시에서, 현재 구역(404)은 기준 전력 출력(408)을 포함하는데, 이는 전력 시스템의 총 기준 전력 출력을 나타내며, 위에서 논의된 바와 같이, 상이한 엔진 발전기 간에 할당될 수 있다. 동적 전력 출력(410)은 구역(404)에도 존재하며, 도시된 바와 같이, 단지 예시를 위해 도시된 예비 전력 출력(412)을 포함한다.
시스템에 의해 소비된 전력이 동적 전력 출력(410)의 하단(411) 아래로 강하하여 기준 전력 출력(408) 내로 넘어가면, 시스템의 작동은 구역(404) 아래에 있는 인접 구역(402)으로 전환하게 된다. 구역(404)과 같이, 하부 구역(402)은 기준 전력 출력(408)보다 더 낮은 기준 전력 출력(414), 및 제어기에 의해 결정된 최적화에 따라 동적 전력 출력(410)과 동일하거나, 더 크거나 더 작은 크기를 가질 수 있는 동적 전력 출력(416)을 포함한다.
시스템에 의해 소비된 전력이 동적 전력 출력(410)의 상단(413) 위로 상승하면, 시스템의 작동은 구역(404) 위에 있는 인접 구역(406)으로 전환하게 된다. 구역(404)과 같이, 상부 구역(406)은 기준 전력 출력(408)보다 더 높은 기준 전력 출력(418), 및 제어기에 의해 결정된 최적화에 따라 동적 전력 출력(410)과 동일하거나, 더 크거나 더 작은 크기를 가질 수 있는 동적 전력 출력(420)을 포함한다.
도 5에는, 전력 시스템에 대한 구역의 할당을 결정하는 데 사용될 수 있고, 기계에 대한 예시적인 사용 프로파일을 보여주는 히스토그램(500)이 도시되어 있다. 히스토그램(500)은 시스템의 전체 작동 범위를 커버하기 위해 구역의 수를 결정하는 방법을 예시하도록 도시된다. 히스토그램(500), 또는 유사한 표현이나 데이터 표현은, 일정 기간 동안 시스템의 작동, 구체적으로는, 시스템의 전력 소비 및 일정 기간에 걸쳐 시스템의 각 작동 조건의 지속시간을 모니터링함으로써 자동으로 컴파일될 수 있다. 적어도 이러한 정보를 사용하여, 제어기는 시간의 경과(506)에 따른 전력 소비(504)를 보여주는 사용 곡선(502)을 히스토그램(500)의 형태로 컴파일할 수 있다. 사용 곡선(502)은 예시를 위해 도시되며, 반드시 제어기에 의해 생성되거나 도표화될 필요는 없다. 그런 다음, 제어기는 히스토그램(500) 상의 시간(508)에 대한 전력의 분포 막대에 기초하여 집합 데이터를 개별 전력 구역들로 분리할 수 있다.
각각의 막대(508)는 전력 시스템의 전력 소비가 전력 범위 내에 있는 기간을 나타낼 수 있다. 11개의 전력 구역에 대한 기준선 및 동적 범위를 연산하기 위한 기준으로서 사용될 수 있는 11개의 이러한 막대(508)가 도 5에 도시되어 있지만, 임의의 개수가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 시간의 경과에 따라 전력 소비가 크게 변동하거나 등락하는 시스템의 경우, 더 많은 수의 구역이 사용될 수 있다. 일반적으로, 제어기는 총 작동 시간을 (n)개의 구역으로 분리하고 각각의 구역에는, 시스템이 작동하게 될 작동 지점을 (1/n) 시간으로 할당하게 된다. 최적 구역과 최고 구역에서의 전력은 반드시 시스템의 최저 용량과 최고 용량에 기초하여 선택되는 것이 아니라, 오히려, 히스토그램에 반영되거나, 히스토그램을 생성하기 위해 데이터를 컴파일하는 관찰 기간 동안 제어기에 의해 관찰된, 시스템의 최고 및 최저 전력 소비에 기초하여 선택될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 히스토그램(500)은 특정 분포를 나타내도록 도시되어 있지만, 시스템의 실제 사용 프로파일을 더 정밀하게 반영하는 임의의 다른 분포 유형이 사용될 수 있다.
산업상 이용가능성
(복수의 엔진 발전기 및 엔진 발전기로부터 전력을 소모하는 다양한 소비체를 포함하는) 전력 시스템의 작동 방법에 대한 흐름도가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 방법은 제어기, 예를 들어 제어기(114)(도 1)를 복수의 엔진 발전기, 예를 들어, 엔진 발전기(102)(도 1)와 작동 가능하게 결합시키고, 전기 버스, 예를 들어, 전기 버스(110)(도 1)와도 작동 가능하게 결합시키는 단계(602)를 포함한다. 시스템이 작동하면, 단계(604)에서 다양한 센서는 엔진 발전기의 전력 출력 및 버스에 연결된 전기 부하의 전력 소비를 표시하는 정보를 제어기에 제공한다. 해양 선박의 경우, 예를 들어, 전기 부하는 추진 시스템, HVAC, 작업 도구, 조명 등을 포함할 수 있다.
단계(606)에서, 제어기는 시간 경과에 따른 전력 소비를 모니터링하고 사용 프로파일을 컴파일한다. 예를 들면, 모니터링 기간은 미리 결정될 수 있고, 선박이 완전한 운행 주기로 작동하게 되는 합당한 시간에 걸쳐 있을 수 있다. 예인선(tugboat)의 경우, 모니터링 시간은 수 일 정도일 수 있지만, 대형 컨테이너 선박의 경우, 모니터링 시간은 완전한 항해를 포함하도록 수 주 동안의 기간에 걸쳐 있을 수 있다. 제어기에 의해 수집된 정보는 히스토그램과 같은 가용한 형태로 가공될 수 있다. 단계(608)에서, 수집되고 가공된 정보가 분석되어 시스템에 대한 복수의 작동 구역을 결정하기 위한 기준으로서 사용된다. 각 구역은 기준 부하 및 동적 부하 범위를 사용해 정의된다. 기준 부하 및 동적 부하 범위는 인접하는 구역들에 대해 중첩되어, 총 운행 시간의 분획 동안 기계가 작동하는 부하를 나타낼 수 있다. 히스토그램에 의해 도시된 바와 같이, 기계가 작동하는 다양한 시간 분획은 복수의 구역을 정의하기 위한 기준의 역할을 한다.
단계(610)에서, 제어기는 각 구역의 기준 부하 및 동적 부하 범위의 일부를 복수의 엔진 발전기 각각에 추가로 할당하며, 단계(612)에서, 소비된 전력이 일 구역의 경계를 벗어나는 경우, 이러한 기준에 따라 해당 구역에 잔류함으로써 엔진 발전기를 작동시키거나, 소비가 해당 구역의 상부 또는 하부 경계를 넘어가는 경우, 인접한 상부 또는 하부 구역으로 전환한다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 전기 버스에 연결된 다양한 엔진 발전기 간에 전력을 할당하는 방법을 결정하는 제어 변수를 선택하도록 전자 제어기용 제어 로직 또는 컴퓨터 실행가능 명령어 세트가 개발될 수 있다. 예를 들어, 제어 로직은, 각각의 엔진 발전기가 이미 온라인 상태로 작동 중인지 또는 작동이 중지되었는지 여부에 기초하여; 각 엔진 발전기의 작동 이력에 기초하여; 부하의 예상 변화에 기초하여; 엔진 발전기가 가진 예비 용량, 즉 주어진 선박 운행 모드에 이용하기에 바람직하거나 필수적인 초과 발전 용량의 양, 등에 기초하여 다양한 엔진 발전기 간에 전력을 할당하는 것을 선택할 수 있다. 다양한 엔진 발전기를 작동시키는 엔진의 경우, 로직은 엔진 발전기 엔진의 용량, 엔진 효율, 엔진의 양호도 또는 상태 등에 기초하여 전력을 각 엔진 발전기에 할당할 수 있다.
예를 들어, 엔진이 유지보수 또는 다른 이유로 록아웃(locked out)(또는 비활성화)될 수 있으므로, 이 엔진은 제어 배열로부터 배제되어야 한다. 각 엔진의 진단 또는 예측 정보는 잔여 유효 수명이나 예상 유지보수로 인해 하나의 유닛을 다른 것과 차별하여 관리(또는 고려/선택)하는 데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 마지막 작동 이후의 작동 시간이 적은 엔진 발전기는, 다음 점검 주기가 도래하는 엔진 발전기보다 바람직할 수 있다. 또한, 온라인이고 운행 중인 엔진은 엔진의 가동/중단과 연관된 비용으로 인해 (예를 들어, 엔진의 가동과 중단이 임의의 유용한 동력을 전달하지 않고 연료를 소비하기 때문에) 중지되었거나 오프라인인 엔진에 비해 일반적으로 선호될 것이다. 엔진 운행 시간은 엔진을 사용할지 여부를 선택하는데 사용될 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 엔진 및 전력량의 선택은 사용자 선택 옵션을 통해 이루어질 수 있다.
특정 응용 분야 또는 선박은 버스를 가질 수도 있고, 버스는 버스에 연결된 모든 엔진 발전기의 정격 전력을 다루지 못할 수 있으므로, 해당 버스 상에서 작동하는 엔진 또는 엔진 발전기는 버스가 다룰 수 있는 최대 전력에 의해 제한될 수 있다. 일부 구현예에서, 온라인 또는 오프라인으로 가져가야 하는 엔진 또는 엔진 발전기를 결정하는 데 우선 순위 전략이 사용될 수도 있다. 엔진을 가동하고 정지시키는 것이 임의의 유용한 동력을 전달하지 않고 연료를 소비하면, 이러한 이벤트는 전술한 바와 같이 로직에 의해 최소화될 수 있다.
일부 구현예에서, 제어 로직은, 가동해야 할 다음 엔진이 현재 오프라인인 가장 효율적인 엔진이 되도록; 중단시켜야 할 다음 엔진이 현재 온라인인 가장 비효율적인 엔진이 되도록 동작할 수 있다. 이러한 제어 방식은 특정 제약 조건, 예를 들어, 결합식 버스 작동 상태일 때, 비상 사태가 발생하고 선박이 중요 시스템을 보호하기 위해 분할식 버스 작동 상태에 들어가는 경우, 각각의 분할된 버스가 이미 온라인인 발전기를 갖도록 엔진이 작동되는 것과 같은 특정 제약 조건을 사용할 수 있다. 이는 결합식으로부터 분할식 버스로의 전환 도중에 발생할 수 있는 임의의 블랙아웃(blackout) 상태를 최소화하기 위한 것이다. 또한, 우선 순위 전략은 선박의 운행 모드에 기초하여 충분한 운전 예비력(spinning reserve)을 확보하게 된다. 이는 온라인인 유닛들이 새로운 작동 조건에 효율적이지 않거나 더 이상 전력 요건을 충족할 수 없는 경우로서, 상기 전략을 통해, 전력 수요가 줄어들 때 시동 및 중단의 회수를 여전히 최소화하면서 큰 엔진으로부터 작은 엔진으로 전환하고; 전력 수요가 늘어날 때 작은 용량을 큰 용량으로 전환하고; 가장 효율적인 엔진 발전기에 우선 순위를 부여하고; 운행 시간이 짧은 유닛을 선택해 가동시키고; 가능한 최소 수의 유닛을 가동시키도록 시도하는 것 등과 같은 예외 항목을 구현함으로써 해결할 수 있는 경우이다.
전술한 설명은 개시된 시스템 및 기술의 예를 제공한다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 본 개시의 다른 구현예들은 전술한 예시와 상세한 부분이 상이할 수 있는 것으로 고려된다. 본 개시 및 이의 예시에 대한 모든 참조는, 그 시점에 논의된 특정 예시를 참조하도록 의도되고, 보다 일반적으로 본 개시의 범위에 대한 임의의 제한을 의미하도록 의도되지 않는다. 특정 특징에 대한 모든 구별 및 차이의 언어는 이들 특징에 대한 선호의 결여를 나타내도록 의도되지만, 달리 명시되지 않는 한, 본 개시의 범주로부터 이러한 것들을 완전히 배제하지는 않는다.
본원에서 값의 범위에 대한 언급은, 본원에서 달리 지시되지 않는 한, 범위 내에 있는 각각의 개별 값을 개별적으로 참조하는 속기법으로서의 역할을 하도록 의도된 것이며, 각각의 개별 값은 마치 본원에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다. 본원에 기술된 모든 방법은 본원에서 달리 지시되지 않거나 달리 문맥에 의해 명확하게 부정되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다.
요소/구성요소, 임의의 요소/구성요소에 의해 수행된 조치/작용, 또는 본원에서 사용된 명령은 중요한 것 또는 필수적인 것으로서 명시적으로 설명되지 않는 한 중요한 것 또는 필수적인 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 문구 "기초한(based on)"은 달리 명시적으로 언급하지 않는 한 "적어도 부분적으로 기초하여"를 의미하도록 의도된다. 또한, 본원에서 사용된 것과 같은 단수 표현("a" 및 "an")은 하나 이상의 항목을 포함하도록 의도되며, "하나 이상의(one or more)"와 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 하나의 항목만이 의도되는 경우, 용어 "하나(one)" 또는 유사한 언어가 사용된다. 또한, 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "갖다(has, have, having)" 등은 개방 단부형 용어가 되도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 선박용 전력 시스템(100)으로서, 상기 시스템은:
    복수의 엔진 발전기(102)로서, 각각의 엔진 발전기는 복수의 엔진 발전기가 복수의 엔진 및 복수의 발전기를 포함하도록 발전기(106)에 연결된 엔진(104) 를 포함하되, 복수의 발전기(106)는 선박의 전기 버스(110)에 전력(108)을 제공하도록 구성되고, 선박의 전기 버스(110)는 선박에 탑재된 하나 이상의 전력 소비 장치 또는 시스템에 연결되는, 복수의 엔진 발전기;
    전기 버스(110)와 결합된 적어도 하나의 센서(124)로서, 적어도 하나의 센서(124)는 작동 중에 전기 신호를 제공하고, 전기 신호는 전기 버스(110)를 통한 전력(108) 소비를 나타내되, 전력(108) 소비는 시간의 경과에 따라 변하고, 적어도 하나의 센서(124)는 실시간으로 전기 신호를 제공하도록 구성되는, 적어도 하나의 센서; 및
    복수의 엔진 발전기(102) 및 적어도 하나의 센서(124)와 결합된 전자 제어기(114)를 포함하고, 전자 제어기(114)는,
    작동 중에 전기 신호를 모니터링하여 순간 전력 소비를 결정하고;
    순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 경계(411, 413)와 비교하여 해당 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역(400) 중 선택된 하나의 구역(404)으로 분류하고(복수의 전력 소비 구역(400) 각각은 상응하는 기준 전력 값(408) 및 상응하는 동적 범위 값(410)을 포함함);
    복수의 엔진 발전기(102) 가운데 선택된 하나의 구역(404)의 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위 값을 배분하고;
    복수의 엔진 발전기의 각 엔진 발전기에 할당된 하나의 선택된 구역(404)의 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위 값에 기초하여 복수의 엔진 발전기(102)의 각 엔진 발전기를 작동시키기 위한 명령 신호를 제공하도록 프로그래밍되고 구성되는, 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 전자 제어기(114)는 일정 기간에 걸쳐 순간 전력의 값을 시간에 대해 기록하고, 기록된 값을 분석하여 복수의 전력 소비 구역 경계를 결정하도록 추가로 프로그래밍되고 작동하는, 전력 시스템(100).
  3. 제2항에 있어서, 복수의 전력 소비 구역은 중첩되는, 전력 시스템(100).
  4. 제2항에 있어서, 기록된 값을 분석하여 복수의 전력 소비 구역 경계를 결정하는 것은, 기록된 값에 기초하여 사용 히스토그램(500) 또는 한 세트의 시계열 데이터 중 적어도 하나를 전자 제어기(114) 내에서 컴파일하는 것을 포함하는, 전력 시스템(100).
  5. 제1항에 있어서, 기준 전력 값 및 동적 범위 값을 복수의 엔진 발전기(102) 간에 배분하는 것은 기준 전력 값의 불균등한 부분을 각각의 엔진 발전기에 할당하는 것 및 동적 범위 값의 불균등한 부분을 각각의 엔진 발전기에 할당하는 것을 포함하는, 전력 시스템(100).
  6. 제1항에 있어서, 시스템 파라미터에 기초하여 작동 순서에 대해 복수의 엔진 발전기 중 각 엔진 발전기의 순위를 지정하는 것을 추가로 더 포함하는, 전력 시스템(100).
  7. 제6항에 있어서, 시스템 파라미터는 각 엔진 발전기의 발전 능력, 각 엔진 발전기의 수명, 각 엔진 발전기의 연료 소비, 및 각각의 엔진 발전기의 배출 등급을 포함하는, 전력 시스템(100).
  8. 제1항에 있어서, 복수의 전력 소비 구역은 전력 시스템(100)의 전체 작동 범위에 걸쳐 있는, 전력 시스템(100).
  9. 제8항에 있어서, 전력 시스템(100)의 전체 작동 범위는 복수의 엔진 발전기(102)의 가능한 작동 범위보다 작은, 전력 시스템(100).
  10. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 명시된 바와 같은 전원 시스템(100)의 작동 방법으로서, 상기 방법은:
    전기 버스(110)와 결합된 센서(124)를 사용해, 전기 버스(110)를 통한 전력(108) 소비를 나타내는 전기 신호를 전자 제어기(114)에 제공하는 단계;
    전자 제어기(114)로 전기 신호를 모니터링하여 순간 전력 소비(122)를 결정하는 단계;
    한 세트의 기록된 값을 전자 제어기(114) 내에서 컴파일하되, 기록된 값은 일정 기간 동안 시간에 대한 순간 전력 소비를 나타내는 것인, 단계;
    전자 제어기(114)로 기록된 값을 분석하여 복수의 전력 소비 구역 경계를 결정하는 단계;
    순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 경계와 비교하여 해당 순간 전력 소비를 복수의 전력 소비 구역 중 선택된 하나의 구역으로 분류하되, 복수의 전력 소비 구역 각각은 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위 값을 포함하는 것인, 단계;
    선택된 하나의 구역의 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위 값을 복수의 엔진 발전기에 배분하는 단계; 및
    각각의 엔진 발전기에 할당된, 하나의 선택된 구역의 상응하는 기준 전력 값 및 상응하는 동적 범위 값에 기초하여 복수의 엔진 발전기(102)의 각 엔진 발전기를 작동시키기 위한 명령 신호를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
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