一種預測控制系統的製作方法

2023-07-27 05:27:16

一種預測控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於減小電力分配系統中的頻率和/或電壓變化的系統。系統包括連接到至少一個電力發電機和至少一個消耗體上的電力控制單元，電力控制系統適合於對所述至少一個電力發電機在該系統中帶來的測算負荷以及因所述至少一個消耗體而致的電力消耗進行監視；以及預測分配系統，適用於從每個消耗體接收與計劃的或預測的電力消耗相關的信息，並計算該系統的預期電力消耗，並且將所分配的電力消耗饋送到電動發電機系統(MGS)控制器。
【專利說明】一種預測控制系統

【技術領域】
[0001]本發明是一種用於減小由船舶電力分配系統大消耗體負荷的變化或設備故障以及受控改變導致的頻率和/或電壓變化的方法。
[0002]本發明涉及一種用於通過使用預測的未來負荷改變來減小電力分配中的頻率和/或電壓變化的方法，該預測的未來負荷改變被用作發向電動發電機組(Motor GeneratorSet, MGS)、或用於引擎的渦輪噴氣輔助系統、或發電機上的自動電壓調節器(AutomaticVoltage Regulator, AVR)上的速率/電力控制系統的前饋。

【背景技術】
[0003]當前廣泛使用的船舶電力系統是柴油機電力，這意味著推進器和/或螺旋槳是電力傳動並且電力是由諸如柴油發動機、燃料電池、燃氣輪機、混合燃料發動機等驅動的電動發電機組提供。對MGS進行速率控制的最常見方法是由調節器結合總電力管理系統(PowerManagement System,PMS)的設定點調整來共同完成，或者由PMS自身獨立完成。許多消耗體從發電設備中獲得電力，推進器通常是其中最主要的一個。大量MGS通常需要被連接到發電設備，以在出現消耗體負荷變化時保持穩定的頻率和/或電壓，該消耗體負荷變化來自於，例如電波浪補償、絞車、絞盤、起重機和推進器或者分配系統的突然重配置。頻率和/或電壓變化對於電力系統可能是致命的並且可能導致停電、子系統的副作用、以及應當被連接到電網上的發電機出現同步性問題以及增大的燃料消耗。近海產業很多年來都想要減少在線MGS的數量而不增大頻率和/電壓變化以及可能的停電的風險，但是對於這一問題的實質性技術方案還沒有被提供。減少在線MGS的數量具有多個有益效果，例如，減少NOx排放、減少煤煙、減少燃料消耗以及減少發動機的維護。
[0004]用於對負荷和供電電源進行處理以補償負荷變化的系統是本領域已知的，例如，US 2006/111855中典型說明的系統，其中，電力可以被從推進器重定向，例如，被重向到波浪補償，以及US 2008/284369，其中根據與電機轉矩相關的信息以及來自動態定位控制系統的信號來控制供電電源。已知的系統涉及測到得的已經出現的偏離以及感測到的供電需求，因此在這個意義上已知的系統是反應式的，由此例如，來自一個或更多消耗體的負荷的同時上升可能超過可得到的功率增長率並因此導致系統頻率減小。


【發明內容】

[0005]如權利要求書中所述，所提出的發明解決了當使用通常安裝在船上的設備來減少在線MGS數量時顯著的頻率和/電壓變化問題。
[0006]本發明因此示出了整合全部預測的大消耗體的負荷改變或分配系統連同速率/電力/電壓控制系統的其它突然重配置的途經，以及用於以之前從未完成的方式預測負荷變化的方法。
[0007]已知的解決方案都沒有提出，相較於傳統反饋補償，對預測的全部負荷改變進行前饋能夠被用於獲得更加穩定的頻率和/或電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參照附圖並以示例方式說明本發明，對本發明進行更詳細地說明。
[0009]圖1示出了本發明的預測和分配部分。
[0010]圖2示出了 MGS控制中預測的前饋數值的使用。

【具體實施方式】
[0011]如圖1和2中所示，本發明涉及一種用於電力管理系統內的動態負荷預測(Dynamic Load Predict1n, DLP)的方法和系統。DLP系統優選地包括若干預測功能120.1-6，具有前饋數值分配的整體預測負荷分配功能121以及MGS控制器122。
[0012]預測功能的目的是對針對MGS的負荷改變進行預測。這些預測之一可以是例如因計劃的船速改變而產生的負荷改變，該負荷改變可以通過DP控制系統根據在受控軸的每個中的合力需求計算出來120.1以獲得期望的船速。預測負荷可以是短期或長期預測(以下詳述)。
[0013]短期預測能夠被用於在MGS典型的I秒時間段上給出瞬時增大/減小，典型的10-30秒的長期預測能夠被用於允許將由之後的負荷增大/減小進行補償的頻率/電壓偏差。
[0014]另一種可能的預測改變可能涉及因諸如起重機、波浪補償、鑽孔和/或推進器手動操作杆之類的任意動態大消耗體上的設定點改變而產生的MGS負荷的改變120.2。舉例來說，手動操作杆可以發送信號到推進驅動器和設定點改變預測功能120.2，設定點改變預測功能120.2對預期改變的動作和幅度進行預測。
[0015]根據本發明的系統還可以包括對剩餘MGS上的額外負荷量進行預測的MGS關閉/負荷極限/發電機或連接件的斷路器跳閘120.3，也可以包括對啟動消耗體所需負荷進行預測的大消耗體啟動控制120.4。
[0016]還可以使用預測的甩負荷，這在消耗體跳閘時對要減少的負荷量進行預測120.5。
[0017]來自例如波浪補償的任何循環負荷的模式會給出負荷消耗的識別並且該模式被用於模式識別功能120.6內的更長時間跨度的預測。
[0018]如果將來具有可對頻率/電壓偏離進行補償的負荷增大/減小，模式識別功能將會被用於允許該系統隨頻率/電壓偏離工作。模式識別還能夠被用於在實際負荷改變之前預測前饋。舉例來說，系統由於高負荷可能經歷降低的工作頻率，但是決定不增大產生的電力，因為預測顯示負荷將在可接受的時間窗口內減小並且工作頻率因此回歸正常。以此方式，發電量將保持穩定，並且系統上的不必要磨損以及汙染將被減少。
[0019]因此，預測的裝置和性質可能根據消耗體的不同，從規劃調度到設備條件和磨損的評估都不同。預測電力消耗可以在長期或短期時間範圍上確定，例如，在波浪補償(長期)中，或者在由例如發電機的故障或者關閉而導致的消耗的單次上升(短期)中。
[0020]預測負荷改變被進一步發送到預測負荷分配功能121，在預測負荷分配功能121中，將來自全部單獨的預測功能(120.1-6)的全部預測負荷改變相加、驗證並且作為前饋數值根據從電力管理系統123接收的含有相關消耗體的功率饋送的配電盤配置狀態分配到每個受影響MGS。
[0021]從123發送到121的配電盤配置狀態提供與推進器和發電機等的可行組合有關的信息，因此例如，提供涉及能夠為消耗體中的每個提供電力的發電機的信息。
[0022]每個前饋數值可以被進一步發送到DC總線系統上與燃料/rpm(每分鐘轉速)/kW相關的查找曲線或查找表，以對可變rpm的MGS上的基礎rpm進行調節以獲得所需轉矩，這由MGS基礎速率控制器122.1來解決。每個前饋數值還可以被進一步發送到用於每個MGS的速率/電力控制系統，在該系統中，該數值被作為額外負荷增益添加122.2和/或添加到渦輪增壓噴射輔助系統以提高發動機響應122.3和/或添加到發電機AVR系統以提高電壓響應122.4。
[0023]DP (Dynamic Predict1n,動態預測)120.1中的推進器負荷預測
[0024]DP系統使用恆定躍度軌道發生器來為DP控制器計算位置、速率和加速率設定點。躍度軌跡發生器是已知的方法，例如在Haschke et al,「0n_line Planning ofTime-Optimal, Jerk-Limited Trajectories」 IROS conference, Nice 2008 中所描述的那樣。速度設定點的增大將導致船舶加速度的改變。該加速度需求被轉換為電力，並且被發送到DLP。軌道發生器提供了明確定義的加速進度，並且非常適合用於計算長期的未來需求。
[0025]漸漸離開位置設定點的DP定位船舶具有不斷增大的電力需求直到漸漸偏離停止，並且船舶重新朝著位置設定點移動。DP控制系統能夠通過模型預測來估算一次漸漸偏離的最大電力用量，並且能夠將該結果提供給DLP。
[0026]DP控制系統還可以根據環境測量值(例如可能影響船舶位置和/或移動的風速和風向)來預測負荷需求，這是典型的短期預測。
[0027]DP控制系統還可以進行對配電盤部分的斷電和/或推進器的損失進行模擬的分析。該分析強制針對全部的DP等級為2和3的船舶。當一個配電盤部分斷電時，該分析對剩餘配電盤部分的電力用量進行評估。該分析還能夠對推進器損失情況下的負荷需求的改變進行計算。這能夠被發送到DLP，以使得當在一個配電盤部分上檢測到斷電/推進器損失時，預測負荷分配功能121立即了解電力需求。
[0028]因此，總而言之，本發明涉及一種用於減小電力分配系統中的頻率和/或電壓變化的系統。系統包括被連接到至少一個電力發電機以及至少一個消耗體上的電力控制單元，電力控制系統適合於對所述至少一個電力發電機在該系統中帶來的測算負荷以及因所述至少一個消耗體而致的電力消耗進行監視。系統還包括適合於從每個消耗體接收信息的預測分配系統。該信息與計劃的或預測的電力消耗有關，並且系統因此適合於計算該系統的預期電力消耗，並且將分配的電力消耗饋送到電動發電機系統(MGS)控制器。
[0029]預測分配系統還適合於從電力管理系統接收關於配電盤配置狀態的信息以及與可用的電力發電機和推進器有關的信息。以此方式，可以根據與連接到特定消耗體上的可用發電機有關的信息對需要的可用電力進行分配。
[0030]該系統優選地包括動態定位控制系統，其中，動態定位控制系統適用於根據速率或加速度改變來限定轉換為負荷的力。電力系統適用於根據預測的前饋負荷增益來調節柴油發動機的速率和/或啟動渦輪增壓噴射輔助系統。以此方式，根據推進器或其它動態受控的大消耗體所施加的負荷變化可以減小總體頻率/電壓變化。
[0031]預測信息可以表示系統中的不同消耗體和發電機，例如，動態定位控制系統、可能的發電機關閉、斷路器跳閘、甩負荷系統，並且可以包括的信息例如有，來自至少一個電力消耗體的設定點改變、隨時間變化或者周期性的負荷、消耗體、發電機、配電盤中的人工控制或者計劃性關閉操作等，從而減小或增大系統中的可用電力。這可以根據情況和消耗體短期(例如，I秒)或者長期(例如，大於20秒)執行。
[0032]所計算的預測電力消耗優選地為因每個消耗體而致並分配給電動發電機控制器的預測消耗之和。如果預測的電力是隨時間變化的表或者曲線，那麼將表或曲線中單獨的、步進的以及隨時間變化的預測值相加以指示一定時間尺度上的正向電力消耗。
【權利要求】
1.一種用於減小電力分配系統中頻率和/或電壓變化的系統，所述系統包括: 電力控制單元，連接到至少一個電力發電機以及至少一個消耗體上，電力控制系統適合於對所述至少一個電力發電機在該系統中帶來的測算負荷以及因所述至少一個消耗體而致的電力消耗進行監視；以及 預測分配系統，適用於從每個消耗體接收與計劃的或預測的電力消耗相關的信息，並計算該系統的預期電力消耗，並且將所分配的電力消耗饋送到電動發電機系統(MGS)控制器。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述預測分配系統還適用於從電力管理系統配電盤接收包括與可用的電力發電機和推進器相關的信息在內的信息，以根據所述可用的發電機對可用電力進行分配。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述系統包括動態定位控制系統，所述動態定位控制系統適用於根據速率或加速度改變來限定轉換為負荷的力，並且所述電力系統適用於根據預測的前饋負荷增益來調節柴油發動機的速率和/或啟動渦輪增壓噴射輔助系統，以根據所述推進器或其它動態受控的大消耗體所施加的負荷變化來減小總體頻率變化。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述預測信息表示因至少一個電力消耗體所致的設定點改變。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述預測信息與引致該系統中可用電力降低的發電機關閉有關。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述預測在I秒的時間尺度上，表明系統中的短期改變。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述預測包括隨時間變化的電力消耗，例如，負荷的周期性變化。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述預測消耗被用於對DC總線系統上的共軌可變rpm機器上的基礎rpm進行調節，以允許所述機器傳送所需的轉矩。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，所述計算包括預測電力需求的求和。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述求和產生包括有與時間相關的預測電力消耗的曲線或表。
【文檔編號】H02J3/14GK104350659SQ201380023439
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年5月2日 優先權日:2012年5月3日
【發明者】埃裡克·馬蒂森, 博約納·瑞佛森, 奧利·亨裡克·約根森, 彼得·佛格斯塔德·喬安內森 申請人:孔斯貝格海運公司