船只推進引擎燃料效率的改進的制作方法
【專利摘要】提供一種用于船舶的推進系統(tǒng)，該推進系統(tǒng)包括：至少兩個發(fā)電機組，各個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；電推進單元；儲能器；以及主配電板，所述至少兩個發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接。當發(fā)電機產(chǎn)生超過船舶的瞬時需要的電力時將多余電力存儲在儲能器中，并且當發(fā)電機瞬時不足地產(chǎn)生電力時從儲能器中獲取需要的額外能量供船只電力網(wǎng)絡使用，并且兩個發(fā)電機組中的一個發(fā)電機組的發(fā)電機作為用于向推進系統(tǒng)提供無功功率的相位補償器操作。
【專利說明】船只推進弓I擎燃料效率的改進
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)船只推進引擎燃料效率的改進的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在W02009/030807A2中示出了通常的用于船舶的推進系統(tǒng)的示例。
[0003]市場、船東及權(quán)力部門提倡降低船只推進系統(tǒng)的排放并提高船舶效率。該目標的一個重要方面是在所有操作模式下保持發(fā)電機組的最高可能(或接近最佳)的負載，并盡可能避免該負載的波動。
[0004]船只推進引擎在通常恒定旋轉(zhuǎn)速度下承受波動的功率需求，這導致當功率需求不能滿足最佳功率/rpm時燃料效率下降。
[0005]通常來說，當引擎運行狀況由于波動功率需求和恒定速度或者由于恒定速度和波動功率需求而偏離功率和運行速度的優(yōu)化組合時，引擎燃料效率立即大大下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目標在于通過創(chuàng)建針對船只引擎的改進的運行條件來提高燃料效率。
[0007]該目標通過如權(quán)利要求1所限定的用于船舶的推進系統(tǒng)解決，或者通過如權(quán)利要求6所限定的用于船舶的推進系統(tǒng)解決。又或者，上述目標通過如權(quán)利要求11所限定的方法解決，或者通過如權(quán)利要求16所限定的方法解決。
[0008]具體來說，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于船舶的推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0009]至少兩個發(fā)電機組，各個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；
[0010]電推進單元；以及
[0011]儲能器；
[0012]主配電板，所述至少兩個發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接；以及
[0013]控制器，該控制器用于控制所述推進系統(tǒng)，其中，
[0014]所述控制器被構(gòu)造成使得當所述發(fā)電機產(chǎn)生超過船舶的瞬時需要的電力時在儲能器中存儲多余的電力，并且當所述發(fā)電機瞬時不足地產(chǎn)生電力時從所述儲能器中獲取需要的額外能量供船只電力網(wǎng)絡使用，并且
[0015]所述兩個發(fā)電機組中的一個發(fā)電機組的所述發(fā)電機作為用于向所述推進系統(tǒng)提供無功功率的相位補償器操作。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于船舶的推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0017]至少一個發(fā)電機組,該至少一個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；
[0018]電推進單元；以及
[0019]儲能器；
[0020]主配電板，所述發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接；以及[0021 ] 控制器，該控制器用于控制所述推進系統(tǒng)，其中，
[0022]在所述原動機和所述發(fā)電機之間設有傳動器，并且
[0023]所述控制器被構(gòu)造成:
[0024]基于所述電力消耗調(diào)整所述至少一個發(fā)電機組的所述原動機的旋轉(zhuǎn)速度，并且
[0025]操作該傳動器使得所述發(fā)電機的速度保持恒定。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于控制用于船舶的推進系統(tǒng)的方法，所述推進系統(tǒng)包括:至少兩個發(fā)電機組，各個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；電推進單元；儲能器；主配電板，所述至少兩個發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接，所述方法包括以下步驟:
[0027]當所述發(fā)電機產(chǎn)生超過船舶的瞬時需要的電力時在儲能器中存儲多余的電力，
[0028]當所述發(fā)電機瞬時不足地產(chǎn)生電力時從所述儲能器中獲取需要的額外能量供船只電力網(wǎng)絡使用，并且
[0029]所述兩個發(fā)電機組中的一個發(fā)電機組的所述發(fā)電機作為用于向所述推進系統(tǒng)提供無功功率的相位補償器操作。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于控制用于船舶的推進系統(tǒng)的方法，所述推進系統(tǒng)包括:至少一個發(fā)電機組，該發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；電推進單元；儲能器；以及主配電板，所述發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接，所述方法包括以下步驟:
[0031]基于所述電力消耗調(diào)整所述至少一個發(fā)電機組的所述原動機的旋轉(zhuǎn)速度，并且
[0032]操作設置在所述原動機和所述發(fā)電機之間的傳動器使得所述發(fā)電機的速度保持恒定。
[0033]從屬權(quán)利要求中列出了有利的進展。
[0034]因此，本發(fā)明借助于在儲能器中存儲多余能量并當能量消耗高于發(fā)電機組的最優(yōu)電力生產(chǎn)能力時從該儲能器中釋放多余能量，通過保持引擎燃料消耗與發(fā)電機組(引擎和發(fā)電機)的電力生產(chǎn)的最優(yōu)關(guān)系來提高船舶的燃料效率，其中一個發(fā)電機被用作相位補償器(第一實施方式)，或者借助于繼電力消耗之后調(diào)整所述發(fā)電機組的所述引擎的旋轉(zhuǎn)速度同時保持發(fā)電機速度恒定來提高船舶的燃料效率(第二實施方式)。
[0035]第一實施方式包括以降低引擎負載波動并從而提高引擎的燃料效率的方式根據(jù)船只電網(wǎng)的需求來使用向其充入多余電能并從其釋放已充入電能的儲能器。
[0036]本發(fā)明的第二實施方式包括在所述引擎和發(fā)電機或推進軸之間使用機械或電力傳動器，以使得當船只推進系統(tǒng)或船只電力網(wǎng)絡的能量需求低于引擎的額定功率時，引擎以低于額定速度運行并從而使引擎以更高的燃料效率比運行并且同時保持發(fā)電機速度恒定以在額定的船只網(wǎng)絡效率產(chǎn)生電力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]以下，通過結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的實施方式，在附圖中:
[0038]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的用于船舶的推進系統(tǒng)的概觀，
[0039]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的推進系統(tǒng)的修改的推進單元，以及
[0040]圖3示出了根據(jù)第一實施方式的控制器，[0041]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的推進系統(tǒng)的修改例。
【具體實施方式】
[0042]第一實施方式
[0043]以下給出了第一實施方式的總體概述。
[0044]具體地，根據(jù)第一實施方式，提供如下的一種能量存儲輔助的引擎燃料效率改進方法和系統(tǒng):
[0045]該引擎燃料效率改進方法和系統(tǒng)包括通過以下的船只網(wǎng)絡功率的周期性或不定期平衡:
[0046]-當發(fā)電機產(chǎn)生超過船只的瞬時需要的電力時在儲能器比如超級電容器或二次電池中存儲多余的電力，
[0047]-當發(fā)電機瞬時不足地產(chǎn)生電力時從儲能器中獲取需要的額外能量供船只電力網(wǎng)絡使用，并且
[0048]-兩個發(fā)電機組中的一個發(fā)電機組的發(fā)電機作為用于向推進系統(tǒng)提供無功功率的相位補償器操作。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的推進系統(tǒng)的一般不例如下:
[0050]根據(jù)本實施方式的該示例的用于船舶的推進系統(tǒng)包括至少兩個發(fā)電機組，各個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機、電推進單元和儲能器、主配電板，所述至少兩個發(fā)電機組，所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接、以及用于控制所述推進系統(tǒng)的控制器。所述控制器執(zhí)行如上所述的功能。
[0051]以下，通過參照圖1說明某些示例，圖1示出了根據(jù)第一實施方式的用于船舶的推進系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括發(fā)電機組，所述發(fā)電機組包括內(nèi)燃機1.1至1.4 (作為原動機的示例)以及發(fā)電機9.1至9.4。在各個發(fā)電機組中，內(nèi)燃機通過離合器9.1至9.4與發(fā)電機連接。發(fā)電機與主配電板7連接，主配電板7由母線A1、A2、B1和B2組成。在該示例中，主配電板可以工作于690V和60Hz。一方面的母線Al和A2和另一方面的母線BI和B2可以經(jīng)由母線聯(lián)絡線10連接或斷開。此外，電池4.1和4.2經(jīng)由逆變器5.1和5.2與主配電板7連接。而且，推進單元3.1至3.4 (包括電動機和經(jīng)由傳動器或離合器與其連接的螺旋槳)經(jīng)由逆變器8.1至8.4連接至主配電板7。在該示例中，推進單元3.2和3.3是以高達2300kW工作的主推進推進器，而推進單元3.1和3.4以高達IlOOkW工作。要注意的是，如附圖中所示，上述元件的全部連接是經(jīng)由開關(guān)實現(xiàn)的。
[0052]圖1示出在這樣的系統(tǒng)中設置的某些額外的元件，例如進一步的母線、岸電連接等。例如，針對母線Al和A2以及針對母線BI和B2設置有變壓器12 (1600kVA)，在不同的電壓工作的進一步的母線A3、A4、B3和B4經(jīng)由該變壓器12連接。母線A3和B3可以在450V工作，而母線A4和B4在230V工作。母線A3和A4以及母線B3和B4經(jīng)由變壓器13(99kVA)連接。借助母線，可以連接數(shù)個饋電線11。而且，在該示例中，在母線A3處設置有岸電連接16。進一步的母線A5 (在440V工作)連接至母線A3。包括引擎和發(fā)電機的發(fā)電機組15連接至該母線，該發(fā)電機為應急發(fā)電機(Em Gen)，并且進一步的母線A6(在230V工作)經(jīng)由兩個變壓器14 (各在50kVA工作)連接至母線A5。而且，母線A3和B3可以連接，母線A4和B4也可以連接。[0053]示例1-用于DP (動力定位)船舶中的電池輔助的不中斷系統(tǒng)(圖1)
[0054]多引擎DP船舶利用與分離的發(fā)電機并行運行的一個引擎以及一個或更多儲能器/有源整流器組件在DP (動力定位)模式下工作。有源整流器包括AC-DC/DC-AC轉(zhuǎn)換器，該AC-DC/DC-AC轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)電壓和頻率從電力網(wǎng)絡中接收電能，并且將其從儲能器提供回以在該電網(wǎng)電壓和頻率向電力網(wǎng)絡供電。在引擎關(guān)閉期間，儲能器向消耗者提供必要的電力，分離的發(fā)電機控制電壓、kVAr動力并提供必要的短路電流。
[0055]示例2-島嶼模式，有源整流器和旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(圖2)
[0056]構(gòu)成:
[0057]引擎具有大約50%的額定燃料效率，螺旋槳通過機械齒輪箱附接到該引擎或者直接附接在軸上。當引擎rpm和負載保持穩(wěn)定時，燃料效率保持在非常高的程度。
[0058]問題:
[0059]經(jīng)過波浪的船只向推進系統(tǒng)產(chǎn)生幾乎正弦負載變化，所述推進系統(tǒng)在平靜的海洋圍繞額定負載改變。當負載從額定負載改變時，引擎燃料效率大大降低，這從名義上顯著增加了實際燃料需求。
[0060]解決方案:
[0061]當螺旋槳造成的引擎負載降低至額定穩(wěn)定負載程度以下時，通過與引擎軸耦接的發(fā)電機對諸如超級電容器(圖2中指定為“有功功率”)的可快速充電儲能器的充電來對引擎進行額外加載。當來自推進的引擎負載到達額定負載以上的程度時，通過從儲能器釋放電力來支持引擎，使引擎的負載以及燃料效率保持穩(wěn)定。
[0062]更具體地，圖2示出根據(jù)第一實施方式的該示例的推進單元的示例。如所示的,該推進單元與圖1中的推進單元3.2的區(qū)別在于，不但電動機22 (在該情況下為發(fā)電機/電動機單元)耦接至螺旋槳(主推進推進器)，而且引擎21也耦接至螺旋槳，并且所述引擎和電動機可以經(jīng)由雙速離合器23耦接至推進器24。這樣，發(fā)電機/電動機能夠支持引擎，但是，另外由于發(fā)電機/電動機的發(fā)電機功能，在只需要較小的推進動力的情況下，還能夠產(chǎn)生電力。圖2中所示的其它元件與圖1中所示的元件相似。
[0063]發(fā)電機可以通過齒輪箱耦接至推進系統(tǒng)，或者可以是位于螺旋槳軸上或者在連接到曲柄軸的引擎上的類型軸帶發(fā)電機/電動機。
[0064]發(fā)電機還可以用來產(chǎn)生用于船只電力網(wǎng)絡的連續(xù)電流。在這種情況下，改變發(fā)電機的電力輸出，從而再次地產(chǎn)生即使是針對船舶的推進引擎的負載。
[0065]島嶼模式(S卩，在該模式下船舶產(chǎn)生其自身的推進動力，無需岸電連接)可以通過以下來實現(xiàn):
[0066]-變頻發(fā)電機(可能是軸或齒輪安裝)
[0067]-有源整流器-DC聯(lián)絡線和逆變器
[0068]-發(fā)電機-離合器-弓丨擎組件
[0069]-主配電板
[0070]-電力管理功能性
[0071]電力消耗者被從主配電板供電，其中，從有源整流器提供有功功率，并且從分離的發(fā)電機提供無功功率、kVAr動力以及短路電流。主配電板以恒定電壓和恒定頻率工作。
[0072]以下主要通過參照圖1和圖3更加詳細地說明根據(jù)第一實施方式的措施。[0073]根據(jù)第一實施方式的系統(tǒng)包括以下部件:對船舶主網(wǎng)供電的逆變器系統(tǒng)(S卩，主配電板)、電池系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)相位補償器以及用于永久供電系統(tǒng)的帶燃料的發(fā)電機組。
[0074]1、對船舶主網(wǎng)供電的逆變器系統(tǒng)
[0075]該逆變器系統(tǒng)設計用于向電網(wǎng)消耗者提供所需電力，并且設計用于與柴油機或雙燃料發(fā)電機組和/或旋轉(zhuǎn)相位補償系統(tǒng)(分離的發(fā)電機組)并行操作。
[0076]逆變器系統(tǒng)由包括用于電池充電的整流器的電池源供電。逆變器系統(tǒng)的示例為圖1中所示的AC-DC/DC-AC轉(zhuǎn)換器5.1或5.2。
[0077]2、電池系統(tǒng)
[0078]電池系統(tǒng)設計用于限定的運行模式，兩者都相對于功率(kW)和容量(kWh)。電池連接至系統(tǒng)的DC聯(lián)絡線。必須根據(jù)針對運行中的發(fā)電機組故障之后重新連接多個備用發(fā)電機組中的一個備用發(fā)電機組所花費的時間所需的推進需求和其它消耗需求來設計電池
功率和容量。
[0079]電池系統(tǒng)的示例在圖1中示出為電池4.1或4.2。另選地，不使用(或除了)電池，可以應用超級電容器。
[0080]3、旋轉(zhuǎn)相位補償器
[0081]旋轉(zhuǎn)相位補償器設計用于滿足電壓穩(wěn)定性下的系統(tǒng)的無功功率(kVAr)需求、在瞬態(tài)工況(D0L (直接上線)啟動、其它負載設備、變壓器涌入)和主短路電流貢獻期間的對于kVAr的動態(tài)需求。在此操作期間，發(fā)電機可以從主引擎分離。
[0082]在圖1中，在附圖的頂部示出的四個發(fā)電機組的各個發(fā)電機組連接至母線Al至B2(主配電板)，可以被用作旋轉(zhuǎn)相位補償系統(tǒng)。在引擎1.1，1.2，1.3，1.4和與各發(fā)電機組的相應的發(fā)電機2.1，2.2，2.3，2.4之間設有離合器9.1，9.2，9.3，9.4。因此，通過將引擎和相應的發(fā)電機組的發(fā)電機之間的離合器(分離)打開，發(fā)電機組中的一個(或更多個)可以作為旋轉(zhuǎn)相位補償系統(tǒng)(旋轉(zhuǎn)相位補償器)進行操作。例如，當圖1中發(fā)電機2.1作為旋轉(zhuǎn)相位補償器應用時，將引擎1.1與發(fā)電機2.1之間的離合器9.1打開，從而發(fā)電機2.1從引擎1.1分離。
[0083]然而，另選地，可以省略發(fā)電機與引擎之間的離合器，并且發(fā)電機可以利用關(guān)掉的引擎進行操作。
[0084]4、用于永久供電的帶燃料的發(fā)電機組
[0085]作為最低限度，必須有一個發(fā)電機組處在運行中，以隨著時間的推移提供所需要的電力，并保持電池充電。在該發(fā)電機組發(fā)生故障時，與旋轉(zhuǎn)相位補償器并行，電池將提供所需要的電力，直至已經(jīng)連接了備用發(fā)電機組為止。
[0086]例如，在圖1的結(jié)構(gòu)中，由引擎1.3和發(fā)電機2.3組成的發(fā)電機組可以用于提供所需要的電力。提供電力的發(fā)電機組還可以被稱為供電發(fā)電機組。
[0087]在下文中，將描述根據(jù)第一實施方式的主要功能和操作模式。控制功能可以由如圖3所示的控制器20來執(zhí)行。控制器從各種傳感器(未示出)接收各種檢測信號(例如引擎速度、電動機速度、電壓和電流測量值等)，并將控制信號供應至比如發(fā)電機組、逆變器等的推進系統(tǒng)中的不同單元和開關(guān)?？刂破鞅旧砜梢允前–PU、ROM、RAM等在內(nèi)的計算機。而且，控制器可以由不同的單元組成，例如，電源管理可以通過一個單元來進行，推進單元的控制可以通過另一個單元來進行。[0088]首先，描述低功率操作(DP低、港灣模式、低速航行、備用)
[0089]如上所述，如上所述，最少一個系統(tǒng)需要處在運行中:
[0090]? 一組帶燃料的發(fā)電機組
[0091]? 一組旋轉(zhuǎn)相位補償器(針對無功功率需求的分離的發(fā)電機組)
[0092]? 一組電池供電的適當功率的逆變器系統(tǒng)。
[0093]例如，在圖1的系統(tǒng)中，由引擎1.1和發(fā)電機2.1組成的發(fā)電機組可以被用作旋轉(zhuǎn)相位補償器(即，發(fā)電機2.1從引擎1.1分離)，并且由引擎1.3和發(fā)電機2.3組成的發(fā)電機組可以用于供電，其中逆變器5.1和電池4.1處于運行中。
[0094]因此，在低功率需求期間的正常運行如下:
[0095]? 一個發(fā)電機組向所有消耗者(閉合的母線結(jié))提供所需電力。也就是說，在該示例中，母線聯(lián)絡線10 (由合適的開關(guān)組成)被閉合，以便主配電板(包括690V/60HZ母線Al，A2，BI和B2)完全連接，從而實現(xiàn)閉合的母線結(jié)。[0096]?連接至母線結(jié)的另一側(cè)的一個逆變器系統(tǒng)處在運行中。也就是說，在圖1的示例中，當發(fā)電機2.1用作旋轉(zhuǎn)相位補償器時，逆變器系統(tǒng)5.2處于運行中，而逆變器系統(tǒng)5.2不處于運行中。
[0097]?在已連接的發(fā)電機組上施加最大可能的負載,從而實現(xiàn)最佳效率。
[0098]?通過利用逆變器系統(tǒng)在發(fā)電機組上提供恒定負載，用于峰值抑制，從而提高效率。
[0099]?當需要時(峰值抑制)，電池將被充電。因此,在連接備用發(fā)電機之前,發(fā)電機組可以被加載至比傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)中更高的功率。
[0100]?如上所述，分離的發(fā)電機組作為旋轉(zhuǎn)相位補償器工作。有功發(fā)電機組(即，通過其產(chǎn)生電力的發(fā)電機組)看到的功率因數(shù)可以調(diào)整為1.0。也就是說，分離的發(fā)電機組(即，發(fā)電機2.1)被操作為，通過將用于有功發(fā)電機組(例如，引擎1.2和發(fā)電機2.2)的主配電板(母線Al至B2)上的總負載考慮在內(nèi)，功率因數(shù)為1.0，從而增大發(fā)電機(2.2)效率。通過調(diào)整從分離的發(fā)電機向網(wǎng)絡提供的有功功率來實現(xiàn)功率因數(shù)1.0。
[0101]?在發(fā)電區(qū)段的故障情況下，通過電池輔助逆變器以及仍然在不同段上運行的相位補償器來獲得所需的冗余。例如，當母線B2上的發(fā)電機組(例如圖1中的引擎1.3和發(fā)電機2.3)發(fā)電并且在該區(qū)段(即，在母線B2)中產(chǎn)生故障時，母線Al上的發(fā)電機組(例如圖1中的發(fā)電機2.1)仍能夠提供相位補償，并且當母線聯(lián)絡線10 (母線結(jié))打開時，電池(4.1)和逆變器(5.1)處在運行中。
[0102]?電池將具有支持必要的負載所需的能量，直至連接上備用發(fā)電機組為止。
[0103]?結(jié)合配電板區(qū)段保護，例如在LLC (Low Loss Concept-Wartsila的柴油電推進系統(tǒng))系統(tǒng)中，可以獲得75%的冗余——表示處所有螺旋槳在運行中的并且在母線排或發(fā)電機組故障之后75%的剩余功率。也就是說，在圖3.1的示例中，設置了四個區(qū)段，即母線Al，A2, BI和B2。當母線B2中產(chǎn)生故障時(例如，由于由引擎1.3和發(fā)電機2.3組成的發(fā)電機組的故障)，該母線B2將被隔離，并且借助于開關(guān)，由電動機3.3和3.4和速度控制器8.3和8.4組成的推進單元仍被連接至另一個區(qū)段，例如母線BI。
[0104]在下文中，描述了具有高功率需求的正常運行。
[0105]?數(shù)個發(fā)電機組向所有消耗者提供所需的電力(封閉的或打開的母線結(jié))。例如，在圖1的系統(tǒng)中，由引擎1.2，1.3和1.4以及發(fā)電機2.2，2.3和2.4組成的發(fā)電機組可以處在運彳丁中。
[0106]?一個或更多個逆變器系統(tǒng)連接至運行中的母線聯(lián)絡的另一側(cè)。也就是說，在圖4的示例中，逆變器5.1和5.2兩者都可以處在運行中。
[0107]?在已連接的發(fā)電機組上設置最大可能負載(恒定負載),從而實現(xiàn)最佳效率。
[0108]?通過利用逆變器系統(tǒng)在發(fā)電機組上的恒定負載，用于峰值抑制，從而提高效率。
[0109]?當需要(峰值抑制)時對電池進行充電。因此，在連接備用發(fā)電機之前，發(fā)電機組可以被加載至比傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)中更高的功率。
[0110]?分離的發(fā)電機組作為相位補償器工作。如上所述，通過發(fā)電機驅(qū)動的引擎得出的功率因數(shù)可以被調(diào)整為1.0。 [0111]?在電力產(chǎn)生區(qū)段上在故障情況下所需的冗余通過電池輔助逆變器以及仍然在同一區(qū)段或不同區(qū)段上運行的相位補償器來獲得。
[0112]?電池將具有用于支持必要的負載的所需的能量直至連接上備用發(fā)電機組為止。
[0113]?結(jié)合配電板區(qū)段保護，在LLC系統(tǒng)中可以獲得75%的冗余一表示所有螺旋槳處在運行中并且在母線排或發(fā)電機組故障之后75%的剩余功率。
[0114]在下文中將描述故障模式，其中考慮到右舷或左舷側(cè)的母線故障。
[0115]如果發(fā)生母線排故障，則受影響的區(qū)段將被隔離，保留其余的健全系統(tǒng)處于運行中。
[0116]如果故障在由引擎驅(qū)動的發(fā)電機組工作的一側(cè)，則逆變器系統(tǒng)將在斷開故障區(qū)段的連接之后向系統(tǒng)供應所需要的電力?？刂破?PMS (電源管理系統(tǒng)))將限制推進功率為可用的電池容量，直至已經(jīng)連接上備用發(fā)電機組為止。
[0117]備用發(fā)電機組可以是分離的發(fā)電機組，該分離的發(fā)電機組將在故障之后幾秒鐘處于運行，因為發(fā)電機已經(jīng)同步。
[0118]因此，根據(jù)第一實施方式，實現(xiàn)了一種用于船舶的推進系統(tǒng)的可靠且燃料效率高的電源。
[0119]第二實施方式
[0120]在下文中，通過參照圖4描述了本發(fā)明的第二實施方式。與第一實施方式的主要區(qū)別在于，在某些或更多個發(fā)電機組中的發(fā)電機與原動機之間設有傳動裝器。
[0121]因此，根據(jù)第二實施方式的一般示例，一種用于船舶的推進系統(tǒng)包括:至少一個發(fā)電機組，該發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；電推進單元；儲能器；主配電板，該發(fā)電機組、該電推進單元以及該儲能器通過該主配電板彼此連接；以及用于控制該推進系統(tǒng)的控制器。而且，在原動機和發(fā)電機之間設有傳動器。該控制器基于電力消耗調(diào)整至少一個發(fā)電機組的原動機的旋轉(zhuǎn)速度，并且操作傳動器使得所述發(fā)電機的速度保持恒定。
[0122]也就是說，例如，當要維持60Hz的恒定AC頻率時，必須以相應的恒定速度驅(qū)動發(fā)電機。依賴于負載，這可以表示原動機在低效率的操作點處操作。因此，傳動器可以被操作為所述原動機在高效率的工作點處進行操作，并且所述發(fā)電機仍然能夠利用必要的恒定速度進行驅(qū)動。
[0123]在下文中，通過參照圖4中所示的示例更加詳細地描述根據(jù)第二實施方式的解決措施。根據(jù)第二實施方式的功能可以由與圖3中所示的控制器20相類似的控制器來執(zhí)行。[0124]在該示例中，使用兩段齒輪箱，S卩，提供兩種不同的傳動比的傳動器(圖4)。
[0125]圖4示出與圖1中所示相似的用于船舶的推進系統(tǒng)，其中在某些發(fā)電機組中，圖1中所示的離合器被雙速齒輪所代替。更加具體地，在引擎1.1與發(fā)電機2.1之間現(xiàn)設有雙速齒輪6.1，并且在引擎1.4與發(fā)電機2.4之間現(xiàn)設有雙速齒輪6.4。雙速齒輪還可以包括離合器。在該特定示例中，與圖1中所示相類似地，離合器9.2和9.3設置在引擎1.2和1.3與相應的發(fā)電機2.2和2.3之間。
[0126]第二實施方式涉及以下問題:
[0127]當負載和轉(zhuǎn)速雙方都處在設計輸出和速度時,發(fā)電機組燃料效率為其峰值。發(fā)電機rpm被設置為產(chǎn)生用于網(wǎng)絡的恒定頻率，例如60Hz (可以是針對網(wǎng)絡選擇的任何值)。發(fā)電機必須以恒定速度旋轉(zhuǎn)。當發(fā)電機組的功率要求較低時，必須降低引擎燃料量，導致燃燒過程從最優(yōu)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，這表示用于產(chǎn)生特定kWh的較低的燃料效率。
[0128]可能的解決方案如下:
[0129]弓丨擎的速度可以改變以與所需要的軸功率(kW)相匹配，這也在較低的rpm處得到更好的燃料效率。在常規(guī)的發(fā)電機組中，這還導致所產(chǎn)生的AC的頻率較低，必須通過在轉(zhuǎn)換器單元中轉(zhuǎn)換電流的頻率來補償該較低頻率，這又一次降低了燃料效率。
[0130]因此，根據(jù)本實施方式，應用以下解決方案:
[0131]發(fā)電機組包括位于引擎(例如，壓力或火花點火中速引擎)與發(fā)電機之間的齒輪箱(例如，圖4中所示的雙速齒輪6.1和6.4)。該齒輪箱具有至少兩個可選傳動比:用于額定電功率輸出的第一傳動比和用于至少一個第二電功率輸出的至少一個第二傳動比，當引擎轉(zhuǎn)速降至燃料效率比所述第一傳動比和降低的功率輸出的組合高的速度時，該至少一個第二電功率輸出使得發(fā)電機rpm保持在產(chǎn)生額定頻率AC的額定速度。
[0132]因此，根據(jù)第二實施方式，實現(xiàn)了一種船舶的推進系統(tǒng)的燃料效率高的電源。
[0133]上述的實施方式僅僅是示例，還可以應用各種變型。
[0134]例如，可以將上述的實施方式結(jié)合。也就是說，根據(jù)第二實施方式的傳動器可以應用到根據(jù)第一實施方式的發(fā)電機組，即，在某些或全部的發(fā)電機組中，在引擎與發(fā)電機之間的離合器可以被更改，這樣分離以及設置兩個(或更多個)傳動比成為可能。
[0135]作為另一個示例，在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，在引擎1.2與發(fā)電機2.2之間以及引擎
1.3與發(fā)電機2.3之間可以不設置離合器，并且可以維持雙速傳動器6.1和6.4。另外，圖1所示的一個或更多個AC-DC/DC-AC轉(zhuǎn)換器5.1和5.2以及儲能器4.1和4.2可以被添加至圖4所示的結(jié)構(gòu)中。
[0136]此外，如圖1、圖2和圖4中所示的用于船舶的推進系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu)僅僅是示例，能夠進行任意的改動。例如，主配電板(例如母線Al至母線B2)被例示為AC主配電板。然而，DC主配電板(DC母線)也是可能的，其中逆變器將必須進行相應的更改。
[0137]而且，在上述的實施方式中，使用60Hz的功率。然而，根據(jù)負載需求應用可變引擎速度(與第二實施方式相類似)，并且在限定的范圍內(nèi)接受由發(fā)電機基于該可變引擎速度產(chǎn)生的電力的頻率也是可能的。也就是說，電力分配系統(tǒng)(即，主配電板和連接的元件)可以被設計為使得能夠在限定的范圍內(nèi)接受所產(chǎn)生的頻率(當發(fā)電機被以可變引擎速度驅(qū)動時)。例如，從47Hz到63Hz的頻率范圍可以是可接受的。
[0138]縮略詞列表[0139]DOL-直接上線
[0140]DP-動力定位
[0141]LLC-低損耗概念
[0142]PCS-相位補償系統(tǒng)
[0143]PMS-電源管理系統(tǒng)
[0144]PT1-抽入功率
[0145]PTO-放出功率
[0146]SLD-單線圖
[0147]附圖標記列表
[0148]在附圖中，使用了以下附圖標記:
[0149]I (1.1至1.4)引擎(例如，柴油、天然氣、雙燃料引擎或燃氣輪機)
[0150]2 (2.1 至 2.4)發(fā)電機
[0151]3 (3.1 至 3.4)電動機
[0152]4 (4.1至4.2)儲能器(例如，超級電容器或二次電池)
[0153]5 (5.1 至 5.2 ) AC-DC/DC-AC 轉(zhuǎn)換器
[0154]6 (6.1,6.4)具有離合器的齒輪箱
[0155]7主配電板
[0156]8 (8.1至8.4)螺旋槳轉(zhuǎn)速控制
[0157]9 (9.1 至 9.4)離合器
[0158]10母線聯(lián)絡線
[0159]11母線聯(lián)絡線
[0160]12、13、14 變壓器
[0161]15發(fā)電機組
[0162]20控制器
[0163]21 引擎
[0164]22電動機/發(fā)電機
[0165]23雙速離合器
[0166]24螺旋槳
【權(quán)利要求】
1.一種用于船舶的推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 至少兩個發(fā)電機組，各個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機； 電推進單元；以及 儲能器； 主配電板，所述至少兩個發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接；以及 控制器，該控制器用于控制所述推進系統(tǒng)，其中， 所述控制器被構(gòu)造成使得當所述發(fā)電機產(chǎn)生超過船舶的瞬時需要的電力時在儲能器中存儲多余的電力，并且當所述發(fā)電機瞬時不足地產(chǎn)生電力時從所述儲能器中獲取需要的額外能量供船只電力網(wǎng)絡使用，并且 所述兩個發(fā)電機組中的一個發(fā)電機組的所述發(fā)電機作為用于向所述推進系統(tǒng)提供無功功率的相位補償器操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中， 作為相位補償器操作的所述發(fā)電機經(jīng)由離合器連接到所述原動機，并且所述控制器被構(gòu)造成當所述發(fā)電機作為所述相位補償器操作時，將所述發(fā)電機從所述原動機分離。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中， 所述主配電板包括經(jīng)由開關(guān)連接的配電板區(qū)段，所述開關(guān)用于在配電板區(qū)段發(fā)生故障的情況下將該區(qū)段隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中， 所述電推進單元經(jīng)由所述開關(guān)能夠連接到至少兩個配電板區(qū)段。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成 當在供電發(fā)電機組中產(chǎn)生故障時，將作為所述相位補償器操作的所述發(fā)電機與其原動機重新接合，并且將該發(fā)電機組作為新的供電發(fā)電機組操作。
6.一種用于船舶的推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 至少一個發(fā)電機組，該至少一個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機； 電推進單元；以及 儲能器； 主配電板，所述發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接；以及 控制器，該控制器用于控制所述推進系統(tǒng)，其中， 在所述原動機和所述發(fā)電機之間設有傳動器，并且 所述控制器被構(gòu)造成: 基于所述電力消耗調(diào)整所述至少一個發(fā)電機組的所述原動機的旋轉(zhuǎn)速度，并且 操作該傳動器使得所述發(fā)電機的速度保持恒定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中， 所述傳動器提供至少兩個傳動比，并且所述控制器被構(gòu)造成調(diào)整所述原動機的旋轉(zhuǎn)速度并選擇所述傳動器的傳動比使得所述原動機在高效率模式工作并且所述發(fā)電機被以恒定速度驅(qū)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的系統(tǒng)，其中， 所述控制器被構(gòu)造成根據(jù)負載需求提供可變引擎速度，并且 在限定的范圍內(nèi)接受所述發(fā)電機基于所述可變引擎速度產(chǎn)生的電力的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要I至8中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述儲能器包括電池和/或超級電容器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述原動機是內(nèi)燃機。
11.一種用于控制用于船舶的推進系統(tǒng)的方法，所述推進系統(tǒng)包括:至少兩個發(fā)電機組，各個發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；電推進單元；儲能器；主配電板，所述至少兩個發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接，所述方法包括以下步驟: 當所述發(fā)電機產(chǎn)生超過船舶的瞬時需要的電力時在儲能器中存儲多余的電力， 當所述發(fā)電機瞬時不足地產(chǎn)生電力時從所述儲能器中獲取需要的額外能量供船只電力網(wǎng)絡使用，以及 所述兩個發(fā)電機組中的一個發(fā)電機組的所述發(fā)電機作為用于向所述推進系統(tǒng)提供無功功率的相位補償器操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中， 作為相位補償器操作的所述發(fā)電機經(jīng)由離合器連接到所述原動機，所述方法進一步包括以下步驟: 當所述發(fā)電機作為所述相位補償器操作時，將所述發(fā)電機從所述原動機分離。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中， 所述主配電板包括經(jīng)由開關(guān)連接的配電板區(qū)段，所述方法進一步包括以下步驟: 在配電板區(qū)段中發(fā)生故障的情況下，通過相應地操作所述開關(guān)將該區(qū)段隔離。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中， 所述電推進單元經(jīng)由所述開關(guān)能夠連接到至少兩個配電板區(qū)段。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的系統(tǒng)，所述方法進一步包括以下步驟: 當在供電發(fā)電機組中產(chǎn)生故障時，將作為所述相位補償器操作的所述發(fā)電機與其原動機重新接合，并且將該發(fā)電機組作為新的供電發(fā)電機組進行操作。
16.一種用于控制用于船舶的推進系統(tǒng)的方法，所述推進系統(tǒng)包括:至少一個發(fā)電機組，該發(fā)電機組包括原動機和發(fā)電機；電推進單元；儲能器；以及主配電板，所述發(fā)電機組、所述電推進單元以及所述儲能器通過該主配電板彼此連接，所述方法包括以下步驟: 基于所述電力消耗調(diào)整所述至少一個發(fā)電機組的所述原動機的旋轉(zhuǎn)速度，并且 操作設置在所述原動機和所述發(fā)電機之間的傳動器使得所述發(fā)電機的速度保持恒定。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中 所述傳動器提供至少兩個傳動比，并且所述方法進一步包括以下步驟: 調(diào)整所述原動機的旋轉(zhuǎn)速度并選擇所述傳動器的傳動比使得所述原動機在高效率模式工作并且所述發(fā)電機被以恒定速度驅(qū)動。
18.根據(jù)權(quán)利要求11至17中任一項所述的方法，所述方法進一步包括以下步驟: 根據(jù)負載需求提供可變引擎速度，并且 在限定的范圍內(nèi)接受所述發(fā)電機基于所述可變引擎速度產(chǎn)生的電力的頻率。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至18中任一項所述的方法，其中，所述儲能器包括電池和/或超級電容器。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至19中任一項所述的方法，其中，所述原動機是內(nèi)燃機。
【文檔編號】B63H21/17GK103732490SQ201280040482
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月22日
【發(fā)明者】E·希斯塔德, S·德烏夫 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司