CN104254811A - 动态负载补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减少被动态定位的船舶的电力分配中的负载和频率变化的***。该***包括连接到至少一个电力发电机以及至少一个推进器上的消耗体负载控制，消耗体负载控制适用于对***中来自所述至少一个电力发电机的可用电力以及来自所述至少一个推进器和***中的其它电力消耗体的电力消耗进行监视。该***还包括动态定位(DP)单元，监视船舶的位置，对用于保持预定位置所要求的推进器容量进行计算，其中，所述DP单元适用于限定出所述位置相对于预定位置的变化的可接受窗口，并且所述消耗体负载控制适用于根据所述可用电力以及所述船舶相对于所述窗口的位置对提供给所述推进器的电力进行调节以减少总负载变化。

Description

动态负载补偿
技术领域
本发明为一种用于减小负载和频率变化的方法，所述负载和频率变化由针对被动态定位的船舶的电力分配***中的大消耗体负载的变化所引起。
本发明涉及一种当船舶由动态定位(DP)控制***等进行控制时通过对针对DP控制的推进器的可用电力或扭矩进行调节以使得位置保持条件不被破坏来减小高压配电***中的负载和频率变化的方法。本发明公开了一种之前未被实现过的将负载控制与位置/速度控制相关联的方式。
背景技术
动态定位***对船舶、钻塔、驳船等的纵向、横向和旋转运动进行控制。由DP控制***等进行控制的船舶总是试图沿受控的轴达到所命令的速度和位置。DP***借助推进器、螺旋桨以及方向舵来控制船舶的运动。为简单起见并且不失一般性，对本发明的说明书的剩余部分中的任何推进装置都使用推进器这一术语。目前最常见的电力***是柴油机电力，意味着通过电力驱动来推动推进器并且电力由诸如柴油发电机、燃料电池、汽轮机、双燃料引擎之类的电力发电机来提供。电力来自具有许多消耗体的动力装置，在这些消耗体中推进器通常为最主要的。通常由柴油发电机将电力提供给动力装置。通常需要大量的柴油发电机连接到动力装置处，从而在出现来自诸如升沉补偿、绞车、绞盘和起重机的消耗体负载变化的情况下保持稳定的频率。频率变化对于电力***而言是致命的并且可能导致停电、子***的附带影响、连接到电网上的发电机的同步问题以及增加的燃料消耗。海洋工业许多年以来希望在不引起频率变化以及潜在的停电风险的情况下减少在线发电机的数量，但是对这一问题还没有提出实质性解决方案。减少在线发电机的数量将带来很多好处，比如降低NOx排放、减少黑烟、减少燃料消耗以及减少引擎维护。
用于对负载和供电电源进行处理以补偿负载变化的***在本领域是已知的，比如在US2006/111855中所举例说明的***中，电力被从推进器重新导入到例如升沉补偿；以及在US2008/284369中举例说明的***中，基于与电机中的扭矩相关的信息以及例如来自动态定位控制***的信号来控制供电电源。然而，这些***都没有解决由于动力装置的负载控制与船舶的位置/速度控制之间的交互所引起的问题。
发明内容
如权利要求书中所述，所提出的发明通过使用通常安装在受DP控制的船舶上的设备在不引起明显的频率变化的情况下解决了减少在线发电机数量的问题。
因此，本发明涉及一种包括控制规则、推力分配方法以及消耗体负载控制的***和方法，控制规则用于动态定位以将船舶状态保持在给定的位置和速度范围内，推力分配方法对推力进行分配以使得给定的位置和速度范围被保持，消耗体负载控制减小推进器负载以对配电***中的其它消耗体上的负载变化进行补偿。
附图说明
以下参照附图对本发明进行更加详细的说明，附图以示例的方式示出了本发明，其中：
图1示出了根据本发明的***；
图2示出了***的消耗体负载控制；
图3a至3e示出了根据本发明的动态负载补偿。
具体实施方式
本发明涉及一种如图1中所示的用于动态定位***内的动态负载控制(DLC)的方法和***。DLC***优选地包括控制规则110、推力分配逻辑111以及消耗体负载控制113。控制规则110的目的是对每个受控坐标轴上的力需求进行计算，从而对从源100接收的期望的位置和速度与从状态观测器101接收的实际船舶位置和速度之间的偏差进行补偿。将最大限制力发送到推力分配逻辑111。
此外，推力分配优化104解决非线性优化问题，从而对受DP控制***控制的每个推进器、螺旋桨以及方向舵的推力量和方向进行计算，以使得力需求加法器103所给定的每个轴上的推力需求被满足。还可能通过例如对风、张力等102进行感测来施加针对优化问题的其它限制。由推力分配优化104解决的最小化问题的目的通常是将用于推进器的总电力用量最小化。
本发明要求一定数量的推进器可用于DP控制***。在优选实施例中，包括至少两个必须可用于DLC的、可自由旋转的推进器(全回转推进器)。必须有至少足够数量的推进器是可用的，以使得剩余的推进器能够在所有受控坐标轴上提供推力。推力分配逻辑111将建立待由104解决的优化问题的目的和限制。
消耗体负载控制113的目的是针对每个推进器计算电力限制以使得总负载变化被保持为最小限度。在正常的动态定位***中，控制规则110需要一力以对偏离给定位置(尤其是航向)和速度(尤其是转速)设定点的任何偏差进行补偿。在本发明中，针对偏差使用了容限窗口，以使得偏差必须在窗口以外之后控制器才需要对推力进行补偿或者窗口内的位置可被用来决定必需的施加力。
具有不同尺寸的若干窗口还可以是并且因此根据针对位置和速度偏差计算的窗口尺寸来计算可接受的力偏差限度。该力偏差限度被送入推力分配逻辑111中。
此外，动态负载补偿命令源105可以用于将期望的DLC限度提供给推力分配逻辑111。图1中的动力装置106被连接到消耗体负载控制上并且还提供与发电机的备用电力容量和频率有关的信息。动力装置还可包括当备用电力容量过低时或者频率偏离理想的***频率时通过启动可用的额外电力发电机来增加容量的装置。
如图2中所示，推进器和螺旋桨可优选地被推力分配逻辑111分为两组。完成该分离以对由DLC带走的力进行控制。一个组将被用于动态负载补偿，而另一组则不被用于动态负载补偿。所有推进器被用于满足来自控制规则110的力需求。未用于DLC的组中的推进器另外对DLC所引起的推力损失进行补偿。每个推进器所减少的负载的量被从消耗体负载控制113发送到推力分配逻辑111。该负载被转换为力损失，并且该力损失被用作平均滤波器的输入。来自该滤波器的输出被用作前馈力而添加到对未被DLC所使用的推进器的推力需求上。
在将推力分配给用于DLC的组中的推进器之后，基于分配给DLC推进器的推力的量以及被从110发送到111的可接受的力偏差限度来计算可用的DLC负载。可用的DLC负载被发送到消耗体负载控制113。消耗体负载控制113随后通常通过直接的电力或者扭矩限制或者通过其它控制手段对推进器驱动器上的负载进行限制。
图3a在左边示出了使用DP***的已知***，该DP***具有推进器分配***和消耗体负载控制，在该已知***中，升沉补偿直接影响电力发电机的负载和频率。在图3b中根据本发明的***设置有动态负载补偿，动态负载补偿对相对于计算的可用窗口的船舶位置进行保持，从而保持推力分配器111中动力装置的稳定和高效运行，并且对消耗体负载控制113中的实际负载处理和电力分配进行控制，因而获得推进器驱动器107中的动态负载。
在示出了现有技术的图3c的曲线中，下方曲线示出了具有周期性升沉补偿的情况(下方曲线)。推进器负载被保持在恒定水平从而导致***上总负载的相应变化(上方曲线)。
图3d示出了使用本发明的、与图3c中情况对应的情况。正如看到的那样，在相反方向上减小推进器负载因而保持总负载恒定。图3e示出了在根据现有技术的***中当负载容量被超出时以及在根据本发明的***中恒定的60Hz频率时响应于升沉补偿的相应频率改变。
总之，本发明涉及一种用于减少被动态定位的船舶的电力分配中的负载和频率变化的***。该***包括：消耗体负载控制，被连接到至少一个电力发电机以及至少一个推进器上，所述消耗体负载控制适用于对所述***中来自所述至少一个电力发电机的可用电力进行监视以及对来自所述至少一个推进器和所述***中的其它电力消耗体的电力消耗进行监视；以及动态定位(DP)单元，监视所述船舶的位置，对用于保持预定位置所要求的推进器容量进行计算。
消耗体负载控制和DP单元通常在分离的控制***中实现，但是在合适时可被合并在共同的控制***中。
DP单元适用于限定出所述位置和速度相对于所述预定位置和速度的变化的可接受窗口，并且所述消耗体负载控制适用于根据所述可用电力以及所述船舶相对于所述窗口的位置对提供给所述推进器的电力进行调节以减少总负载变化。窗口指定了取决于安装的设备以及船舶的运行的可容许的余量。
***包括具有基本的周期变化的可用电力。***适用于对所述变化进行分析并因此通过提供补偿推力来将所述船舶位置调节到所述窗口内以避免静态位置偏差。该分析包括将每个推进器的负载减少量从消耗体负载控制113发送到推力分配逻辑111的步骤。该负载被转换为力损失，并且该力损失被用作平均滤波器的输入。来自该滤波器的输出被用作前馈力而添加到对至少一个推进器或者额外推进器中的一个推进器的力需求上。
***可以适用于当船舶位于所述窗口以外时对消耗体负载控制完成的负载减小进行削减从而促使所述船舶进入所述窗口。
消费者负载控制可以适用于接收与所述***中其它单元中的计划的电力消耗有关的信息以改善对***中的电力余额的计算。
DP单元可以适用于对每个推进器中的电力消耗进行调节以调节所述船舶的位置。消耗体负载控制可以适用于基于DP单元所完成的调节将可用电力分配给***中的每个推进器。
如果DP单元要求至少一个推进器中用于调节位置的电力超过所述可用电力，则来自消耗体负载控制的电力增加可用于该推进器。
消耗体负载控制适用于基于***中的计算的电力消耗将时变的可用电力分配给至少一个推进器。

Claims (7)

1.一种用于减少被动态定位的船舶的电力分配中的负载和频率变化的***，所述***包括:
消耗体负载控制，被连接到至少一个电力发电机以及至少一个推进器上，所述消耗体负载控制适用于对所述***中来自所述至少一个电力发电机的可用电力进行监视以及对来自所述至少一个推进器和所述***中的其它电力消耗体的电力消耗进行监视；以及
动态定位(DP)单元，监视所述船舶的位置，对用于保持预定位置所要求的推进器容量进行计算；
其中，所述DP单元适用于限定出所述位置相对于所述预定位置的变化的可接受窗口，并且所述消耗体负载控制适用于根据所述可用电力以及所述船舶相对于所述窗口的位置对提供给所述推进器的电力进行调节以减少总负载变化。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述可用电力具有基本的周期变化，所述***适用于对所述变化进行分析并因此通过提供补偿推力来将所述船舶位置调节到所述窗口内以避免静态位置偏差。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述***适用于当所述船舶位于所述窗口以外时对所述消耗体负载控制完成的负载减小进行削减从而促使所述船舶进入所述窗口。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述消耗体负载控制适用于接收与所述***中其它单元中的计划的电力消耗有关的信息。
5.根据权利要求1所述的***，其中，所述DP单元适用于对每个推进器中的电力消耗进行调节以调节所述船舶的位置，并且所述消耗体负载控制适用于将可用电力分配给所述***中的每个推进器。
6.根据权利要求5所述的***，其中，如果至少一个推进器中用于调节所述位置所要求的电力超过所述可用电力，则所述DP控制***从所述消耗体负载控制请求一可用于该推进器的电力增加。
7.根据权利要求6所述的***，其中，所述消耗体负载控制适用于将时变的可用电力分配给至少一个推进器。
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