(57)【要約】  発電システムおよび発電システムにおける方法。本システムは、電気エネルギーを生成するための１つまたは複数の発電機を含み、各発電機は対応する原動機によって駆動されるようにされ、発電機は、周波数と振幅とを有する多相電圧を発生するように適合された多相ＡＣ発電機であり、発電機の位相出力は、ＡＣ発電機によって発生された電気エネルギーを分配するための共通多相バスに接続可能であり、本システムは、さらに、多相電圧の周波数を規定する原動機の回転速度と、多相電圧の振幅とについての独立の基準値を提供する手段を含み、本システムは、提供された独立の基準値に基づく少なくとも３つの作動点で作動するように適合されており、作動点は多相電圧の周波数に対する多相電圧の振幅の比によって規定され、少なくとも３つの作動点は異なっている。
2017539198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを生成するための１つまたは複数の発電機を含み、各発電機は対応する原動機によって駆動されるようにされた発電システムであって、
前記発電機は、周波数と振幅とを有する多相電圧を発生するように適合された多相ＡＣ発電機であり、
前記発電機の位相出力は、前記ＡＣ発電機によって発生された前記電気エネルギーを分配するための共通多相バスに接続可能であり、
当該システムは、さらに、前記多相電圧の前記周波数を規定する前記原動機の回転速度と、前記多相電圧の振幅とについての独立の基準値を提供する手段を含み、
当該システムは、前記提供された独立の基準値に基づく少なくとも３つの作動点で作動するように適合されており、作動点は、前記多相電圧の前記周波数に対する前記多相電圧の前記振幅の比によって規定され、前記少なくとも３つの作動点が異なっている、発電システム。
【請求項２】
前記発電システムが、前記原動機の回転速度の基準値を調整することによって前記原動機に関する特性を最適化するように適合された手段を含む、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記原動機に関する特性を最適化するように適合された前記手段が、
前記最適化された特性を、前記原動機の回転速度と前記原動機の負荷レベルとの関数として示す、読み取り可能なデータベースと、
前記原動機の既知の負荷レベルに基づいて前記データベースを読み取るように適合され、かつ、前記原動機に関する前記特性を最適化する回転速度基準を出力するように適合された手段と、を含む、請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記原動機に関する特性を最適化するように適合された前記手段が、前記原動機の使用中に前記最適化された特性の値を受け取るように適合された手段と、
前記最適化された特性の前記受け取った値を、それぞれの負荷レベルおよび回転速度と共に、読み取り可能なデータベースに格納するように適合された手段と、を含む、請求項２または３に記載の発電システム。
【請求項５】
原動機に関する前記特性を最適化するように適合された前記手段が、動力管理システムなどの上位レベル制御システムに組み込まれている、請求項２、３、または４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
原動機に関する前記特性を最適化するように適合された前記手段は、さらに前記原動機の前記回転速度基準の、前記１つまたは複数の発電機の公称回転速度の６０％であることが好ましい下限値を含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記１つまたは複数のＡＣ発電機が三相発電機である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項８】
固定周波数を有する電圧を生成するために、コンバータ装置が前記共通多相バスに接続されているか、または、ＤＣ電圧を生成するために、コンバータ装置が前記共通多相バスに接続されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項９】
前記原動機に関する前記特性を最適化するように適合された前記手段は、前記発電機の負荷レベルが、設定された期間、実質的に一定レベルになった後に作動される、請求項２〜８のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記原動機に関する特性を最適化するように適合された前記手段は、作動される原動機の数を選択するように適合されている、請求項２〜９のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記原動機に関する前記特性は前記原動機の燃料消費である、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記原動機に関する前記特性は前記原動機の排出レベルである、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記原動機に関する前記特性は前記原動機の騒音レベルである、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１４】
前記原動機の前記回転速度基準は固定値に調整される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記多相電圧の振幅の前記基準値は一定であり、前記多相電圧の前記周波数は前記原動機の回転速度の前記基準値を調整することによって調整される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記発電システムの磁気部品の磁束の大きさは、前記発電電圧の前記周波数が変化すると変化する、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記多相電圧の振幅の前記基準値は、磁束の大きさの前記変化を減少させ、磁束の大きさの最大増加が磁束の定格の大きさの約５％に制限されるよう変更されるように適合されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の発電システムを含む船。
【請求項１９】
電気エネルギーを生成するための１つまたは複数の発電機を含み、各発電機が対応する原動機によって駆動される発電システムにおける方法であって、
前記多相電圧の周波数を規定する前記原動機の回転速度と、前記発電機の多相電圧の振幅とについての独立の基準値を提供することと、
前記ＡＣ発電機によって発生された前記電気エネルギーを分配するための共通多相バスに前記発電機の位相出力を接続することと、
前記提供された独立の基準値に基づく少なくとも３つの作動点で前記発電機を作動させることであって、作動点は前記多相電圧の前記周波数に対する前記多相電圧の前記振幅の比によって規定され、前記少なくとも３つの作動点が異なっている、作動させることと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システム、より詳しくはスタンドアローン発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スタンドアローン発電システムは、広域電気ネットワークへの電気接続が不可能な状況または場所で使用される。このようなスタンドアローンシステムは、船、ヨット、および他の海洋船にも使用され、発電機に結合された原動機が船等の中で様々な電気装置によって消費される電気エネルギーを生成するために用いられる。発生された電気エネルギーは、船の推進のため、および船の運転に関する様々な部品やシステムに電力を供給するために必要な装置によって使用される。さらに、旅客船では、乗客は、電気機器によって直接に、または乗船中に利用できる快適な設備を用いて間接的に莫大な量の電気エネルギーを消費する。
【０００３】
原動機に結合された発電機でＡＣ電力を発生させることにより船に電気エネルギーを供給することが知られている。原動機は、ディーゼル燃料および燃料油などの様々なエネルギー源を使用して発電機の回転運動を生成する。発生されたＡＣ電力は、種々の目的のために適切な電圧レベルに変換される。大型船では、複数の発電機が並行して作動され、その作動は上位制御システムによって監視される。上位制御システムは、電力需要がそれを要求するときに起動発電機の数を変更することによって発電機の電力管理を制御する。上位制御システムは、電力需要の変化にかかわらず、発電システムの作動が安定した方法で作動するように構成される。
【０００４】
発電電力の制御は、原動機がその回転速度を一定に保つように原動機の燃料噴射を制御することにより行われる。例えば、発電機の負荷が増大するとき、燃料噴射も増加して回転速度が一定に保たれる。発電機は原動機の軸に直接結合されているので、発電されたＡＣ電力の出力周波数も一定に保たれる。
【０００５】
別の取り組み方では、各原動機−発電機セットにはＡＣ／ＤＣ整流器が装備されている。整流器の出力は共通のＤＣバスに接続されている。発生電力はさらにＡＣ電力に変換され、その電力はＡＣ機器で消費され得る。このような構成では、各発電機−原動機セットの出力周波数はシステムの作動を最適化するように制御され得る。ＤＣ配電を伴う発電システムでは、各発電機が別個の整流器を必要とするので電気部品の量が多くなる。導入される電力が大きい大規模な設備では、作動が中電圧レベルであるため回路ブレーカなどの必要なＤＣ部品は高価である。さらに、ＤＣ電圧が消費者のためにＡＣ電圧に変換して戻される場合には、電力の別の変換が必要とされる。
【０００６】
特許文献１は、ＡＣ配電ネットワークの周波数が可変であるシステムを開示している。本システムでは、効率を最大にするために原動機の速度はできるだけ低く保たれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２６８２３３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決するためのシステムおよび方法を提供することにある。本発明の目的は、独立請求項に記載されていることを特徴とするシステムおよび方法によって達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に開示される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、１つまたは複数の発電機を用いて、調整可能な周波数および実質的に一定の電圧を有する多相ＡＣ電圧を共通の多相バスに生成するという考えに基づく。電気エネルギーを生成するため発電機を回転させるのに使用される原動機には、様々な態様に従って選択可能な回転速度基準が与えられる。
【００１０】
本発明の利点は、原動機の作動点をオペレータの好みに応じて所望の値に設定できることである。本発明は、必ずしも原動機の公称回転速度ではない固定回転速度を使用することを可能にする。実質的に一定の電圧が１つまたは複数の発電機によって生成される場合、発電電力は周波数に依存せず、したがって、完全な発電電力が全周波数で利用可能である。電圧は、変化する周波数で実質的に一定に保たれるので、各々の消費者は、能動フロントエンド付き周波数コンバータのような特別の手配なしで最大電力を得る。したがって、周波数は、単一の消費者に利用可能な電力を無駄にすることなく調整され得る。
【００１１】
好ましい実施形態によれば、多相ＡＣ電圧は、一定に制御される振幅を有する。固定振幅が使用される場合、周波数が変化するにつれてシステム内の磁気部品の磁束が変化する。しかしながら、周波数が下げられるときに電圧の振幅が僅かに小さくされると、磁束の増加量が若干少なくされ得る。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、原動機に関する特性は回転速度基準の調整によって最適化される。このような特性は例えば原動機の燃料消費である。したがって、本実施形態では、燃料消費を最少化するために原動機の回転速度を変更することができる。エンジンの回転速度の変更は、また、発生されたＡＣ電圧の周波数の変更を意味する。
【００１３】
既知のシステムでは、発電機の回転速度は一定に保たれ、固定周波数が多相電圧バスに生成される。これは、電力需要すなわち発電機の負荷が原動機の作動点を指示することを意味する。原動機は、一般に、固定周波数で特定の電力レベルでの作動に対して最適化される。しかしながら、回転速度の変化は、燃料の消費にも影響を及ぼし、この特性が本実施形態で用いられる。
【００１４】
一実施形態では、原動機は上位レベル制御システムから回転速度基準を受け取り、また、発電機は、その中で周波数が調整可能である交流電圧バスが形成されるように出力周波数を基準に同期させる。したがって、上位レベル制御システムは、原動機の燃料消費または他の特性を最小にする周波数で作動するよう１つまたは複数の並列発電機に指示することによって、燃料消費または他の最適化される特性を最適化する。
【００１５】
本発明では、原動機の回転速度および多相電圧の振幅のために独立した基準値が提供される。回転速度基準は原動機に関する特性を最適化するために使用され、また、振幅基準は磁気部品が飽和しないようにシステム内の磁束を変更するために使用されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、信頼性が高く堅牢なＡＣ技術を用いることができる。さらに、本システムは、選択された設計に従ってＡＣ技術またはＤＣ技術のいずれかを使用して電力を伝達することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下において、添付図面を参照し、好ましい実施形態を用いて本発明をより詳細に説明する。
【００１８】
【図１】原動機の回転速度と発生動力の関数としての燃料の消費の例を示す。
【図２】本発明のシステムの一実施形態を示す。
【図３】船速の関数としての電力需要曲線とシステム周波数曲線の例を示す。
【図４】電圧／周波数平面内で一定の比率の線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態に係るシステムの主回路図を示す。図２では、４つの多相ＡＣ発電機１、２、３、および４がＡＣバス５に接続されている。ＡＣバスは、バスバー、すなわち生成された多相電圧の各相のための導体と、バスに公称電流が流れている場合でもバスを２つの独立した部分に分割するために使用され得る回路ブレーカ６とからなる。図２の例では、バスの電圧、ひいては発電機の出力電圧は一定の１１ｋＶである。発電機の公称電力はメガワットのクラスであり、その場合、発電電力は電気推進システムを備えた大型船に電力を供給するのに十分である。
【００２０】
図２は、さらにＡＣバスに接続された様々な負荷を示している。この実施例では推進システムは電気的に駆動され、図２は推進のための電力システム１３を示す。そのような電力システムは、変圧器、周波数コンバータ、およびプロペラを駆動するモータを備える。図２に提示する、さらなる負荷は、冷却目的のために冷水を生成するための装置の圧縮機用の電気駆動装置１１、１２と、船首スラスタのようなライン接続されたモータ１０とを含む。
【００２１】
図２は、さらに、船の他の機能のために船内において電気を変換し、さらに配電するための変圧器７を示す。このような他の機能は、旅客船における宿泊設備やレストラン、種々の作業船におけるドリルやポンプ機械など様々な作業機械に関し得る。ＡＣ／ＤＣコンバータ９が変圧器８を介してＡＣバスに接続されて示されているとおり、電力のＤＣ配電の可能性も図２の実施例に示されている。
【００２２】
図２に示されるように、様々な部品と負荷が重複して提示されている。冗長性要件のために、原動機と主要電気部品は少なくとも２つの別個の空間に設置されている。それらの空間を接続する共通のＡＣバスは、回路ブレーカ６を開くことによって分割することができる。
【００２３】
本発明によれば、船の発電システムは、電気エネルギーを生成するための１つまたは複数の発電機１、２、３、４を含む。図２の実施例では、４つの発電機が提示されている。発電システムに接続される発電機の数は特定の数に限定されない。各発電機は、ディーゼルエンジンのような対応する原動機で駆動される。これらの原動機は、発電機の軸に直接結合されているので、各発電機は対応する原動機と共に回転する。
【００２４】
上述したように、本発明で使用される発電機は多相ＡＣ発電機である。一般には、発電機は三相電圧を発生する三相ＡＣ発電機である。大型船で電力を生成するのに使用される発電機はメガワット級発電機である。複数の発電機の公称電力は、等しくてもよく、または例えば２つの発電機の定格がより小さいものであり、かつ発電機の残りはより高い電力定格を有してもよい。
【００２５】
発電機の位相出力は共通の多相バスに接続可能である。図２はバス５と発電機との間にブレーカを示す。ブレーカは、バスに接続された生成能力を調整するために作動される。バス５は、発電電力を負荷または消費者に分配するために使用されるバスバーまたは同様な導電性部材からなる。多相バスの位相数は、発電機の位相数に対応し、一般には３つのバスバーを有する３相バスである。発電機はＡＣ発電機であり、生成された電圧はすべての発電機に共通の周波数を有する。
【００２６】
本発明の一実施形態では、ＡＣ電圧の周波数がたとえ変化しても、発生された多相ＡＣ電圧の振幅は一定に保たれる。一定振幅のＡＣ電圧を生成する場合、利用可能な電力はＡＣ電圧の周波数に関係なく一定のままである。発電機において、一定のＡＣ電圧は、発電機の磁化をそれ自体既知の方法で制御することによって得られる。
【００２７】
本発明によれば、システムは、原動機のための回転速度基準を提供するための手段を含む。既知のように、原動機の回転速度は、各原動機が対応する発電機に直接結合されているときに発電電圧の周波数を規定する。本発明では、原動機の回転速度の基準値は多相電圧の振幅の基準値とは独立している。すなわち、振幅と回転速度に別々の基準値が与えられ、基準値は互いに直接比例しない。さらに、本発明では、発電システムは基準値に基づいて少なくとも３つの作動点で作動するように適合されている。作動点は、多相電圧の周波数に対する多相電圧の振幅の比として規定される。
【００２８】
電気システムの可変周波数作動のための一般的な制御システムでは、周波数の変化に基づいて振幅が変えられるように電圧の周波数および振幅が制御される。周波数が変えられると、振幅は周波数の変化に対する電圧の振幅の比を維持するように変化に追従する。本発明では、発電電圧の周波数と振幅とは互いに依存して線形に制御されず、発電システムの設計および使用に柔軟性を提供する。
【００２９】
原動機の回転速度基準を提供する能力は、発生された多相電圧の周波数が特定の需要または目的に基づいて所与の値に設定され得ることを意味する。発電機に機械的に接続された原動機は、所望の回転速度に設定することができ、それによって出力電圧の周波数は発電機の回転速度に追従する。回転速度基準を提供するように適合された手段は、船の電力管理システムのような上位レベル制御システムで実現されることが好ましい。上述の回転速度と発電電圧の周波数との間の関係は線形であるので、原動機の回転速度基準は周波数基準とみなすことができる。したがって、上位レベル制御システムは周波数基準を提供することができ、それは、原動機に与えられる、対応する回転速度基準に変更される。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、システムは、原動機の回転速度基準を調整することによって原動機に関する特性を最適化するように適合される手段を含む。したがって、本実施形態では、回転速度基準、ひいては出力電圧の周波数は、原動機に関する特性が最適化されるように変更される。特性が最適化されるという事実は、原動機に関する測定可能な特性がより望ましい値にされる値に出力電圧の周波数が調整される一連の作動を指す。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、原動機に関する最適化された特性は原動機の燃料消費である。本発明の別の実施形態では、原動機に関する最適化された特性は原動機の排出レベルである。別の実施形態では、原動機に関する最適化された特性は原動機の騒音レベルである。周波数が可変である一方、ＡＣ電圧の生成される振幅を一定に保つと、システムは大規模なパラメータの最適化を可能にする。原動機の回転速度または出力周波数は、例えば、燃料消費を最適化するポイントに調整することができ、それでもなお、各々のユーザは発電システムからユーザの公称電力を引き出すことができる。
【００３２】
以下では、原動機に関する最適化された特性が原動機の燃料消費である実施形態が、詳細に説明される。この実施形態では、多相電圧の周波数は原動機の燃料消費を考慮して調整または変更される。周波数の変更は、実際には、使用される機器の公称周波数とは異なる周波数でシステムが作動していることを意味する。原動機の周波数、したがって回転速度は公称値から低下されるのが好ましく、最適化が行われる好ましい範囲は、原動機の公称回転速度の６０％〜１００％の速度範囲内にある。発電機で生成される電気の公称周波数が６０Ｈｚである場合、原動機の６０％の回転速度により３６Ｈｚの周波数を有する電圧が生成される。同様に、発電機の公称周波数が５０Ｈｚである場合、６０％の回転速度は３０Ｈｚの周波数を有する電圧に対応する。しかしながら、作動の厳格な限界は、原動機の設計およびタイプに依存し、生成される周波数の下限は、公称周波数の５０％と同じくらい低くてもよく、またはさらに低くてもよい。
【００３３】
上記公称周波数は、原動機がその公称回転速度で回転しているときに得られる出力電圧の周波数に関する。この公称回転速度は、従来の作動では公称であると言われる周波数、すなわち５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを生成する。
【００３４】
図１は、ディーゼルエンジンの燃料消費をエンジンの回転速度とエンジンの動力の関数として表すチャートの一例を示す。燃料消費は、回転速度１００％、動力レベル１００％の作動点からのｇ／ｋＷｈの変化として示されている。消費量は、線がｇ／ｋＷｈでの特定の消費量の増加または減少を示すように、チャートから読み取られる。例えば、最適な作動点は、約９０％の回転速度かつ約７０％の動力に対してであって、＊の印が付されている。その円から離れると消費が増える。チャートから分かるように、消費の変化は、生成される動力のより低い範囲でより大きくなり、一方、より高い動力範囲では、線間の間隔が広くなって作動点が変化したときの消費の変化が小さいことを示している。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態によれば、原動機の燃料消費などの特性を最適化するように適合された手段は、燃料消費などの特性の量を原動機の回転速度および原動機の負荷レベルの関数として示す読み取り可能なデータベースを含む。本実施形態のルックアップテーブルのような読み取り可能なデータベースは、原動機に関し最適化された特性に関するデータが、異なる作動点のデータを読み取るためのプロセッサまたは同様な装置によってアクセスされ得るような方法で格納される三次元テーブルである。この目的のために、最適化手段は、原動機の既知の負荷レベルに基づいてデータベースを読み取るように適合され、かつ原動機に関する所望の特性を最小化または最適化する回転速度値を出力するように適合された手段を含む。
【００３６】
本発明では、原動機の回転速度の基準値が、回転速度に対応する周波数を有する多相電圧を生成するために提供される。原動機に与えられる回転速度基準は、所望の周波数を有する交流電圧を得るための一定の周波数基準に対応する。
【００３７】
発電電圧の周波数は回転速度基準に追従するように適合される。基準は、周波数基準に対応する回転速度基準として原動機に与えられるのが好ましい。原動機は、回転速度が基準に対応するよう燃料噴射を増減させるように作用する。
【００３８】
図１のチャートは、読み取り可能なテーブルなどの読み取り可能なデータベースとして格納されている。本実施形態の考え方によれば、定常状態で作動しているときに、現在の消費値は、同じ動力レベルを有する他の消費値と比較される。例えば、発電機の公称速度で作動し、発電され、かつ、要求される電力レベルが公称電力の５０％である場合、図１のチャートから、原動機の回転速度が公称回転速度の約８５％に低下するときに燃料消費が最少になることが読み取られる。テーブルの中の値がより低い消費が利用可能であることを示す場合、１つまたは複数の起動原動機に回転速度基準が与えられる。作動が別の電力レベルに変えられると、最適化手順が繰り返される。
【００３９】
図１の消費チャートは、システムに設置された個々の原動機ごとにアクセス可能な形式で格納されている。ルックアップテーブルまたは同様のデータベースが、システムに設置された原動機の任意の組み合わせに対して形成されてもよい。燃料消費を最適化するとき、現在起動中の原動機の消費を示す組合せチャートが読み取られるか、または現在起動中の原動機に対応する個々のチャートが読み取られ、対応する燃料消費量が合計されて組合せ消費が得られる。
【００４０】
図３は、発電電圧の振幅が一定になるように制御されている場合のシステム周波数および利用可能な電力とともに電力需要曲線の例を示す。図３の例は、４つの発電機がシステムに電気エネルギーを生成するために接続可能な船または船舶における本発明の概念を示す。速度に依存する推進力に加えて、電力需要曲線は、船速がゼロであっても電力が要求されるという事実から見られる一定の補助負荷を含む。
【００４１】
曲線から分かるように、船の速度が最高速度の０〜５０％の範囲にあるとき、要求される電力を生成するには１つの発電機で十分である。したがって、周波数は、原動機に関する特性を最適化するように変更することができる。船速が上がるにつれて電力需要が増加すると、より多くの発電機が接続されて電力を生成する。例えば、船速が最高速度の５０％を超えると、第２の発電機が接続されて電力を発生すると同時に、システム周波数を低下させることができる。同様に電力需要が増加するにつれて、より多くの発電機がシステムに接続される。電力需要が減少すると、起動発電機の数を減らすことができる。
【００４２】
上記の例は、発電電圧の周波数に関して発電の作動を説明するためのものである。あるパラメータの最適化においては、少量の発電機で十分な電力が利用可能であっても、複数の発電機を使用することができる。これは、パラメータの最適化が個々の発電機の電力レベルを考慮しているためである。一例として、９５％の能力を有する２つの発電機よりも、発電機の最大能力の６３．３％を有する３つの発電機を用いて電力を生成することが望ましい場合がある。
【００４３】
燃料消費などの原動機に関する特性を最適化するように適合された手段は、船の発電システムに関する他の機能も制御する上位レベルコントローラ内に形成されることが好ましい。上位レベルコントローラは、生成された電力の量および要求された電力に関する情報を受け取る。生成された電力および要求された電力に基づいて、上位レベルコントローラは、現在使用中の発電機を変更するか、または現在の設定で作動を続行するかを決定する。作動発電機の決定において最適化が考慮される。格納されたチャートに基づくと、現在の負荷が複数の原動機に共有されている場合に燃料消費が減少することが予測されるならば、上位レベルコントローラは、このような作動を行い、燃料消費を最適化するように回転速度基準または周波数基準を設定する。同様に、上位レベルコントローラは使用中の原動機の数を減らすことができる。
【００４４】
上述したように、原動機の回転速度、したがって生成された周波数は一定の範囲内で変えることが可能である。発電システムの作動に必要な様々な電気部品は、設定された限度内で機能することができる。本発明によれば、発電電圧の振幅の基準値は回転速度基準とは無関係に提供される。本発明の一実施形態によれば、電圧が一定に保たれるとき、発電機および変圧器などの様々な磁気部品は、そのような作動を考慮して設計される必要がある。
【００４５】
電圧の振幅が固定の基準値で一定に保たれ、かつ周波数が変化するとき、振幅と周波数の比は一定ではない。既知のように、上記の電圧／ヘルツ比が一定に保たれるとき、磁気部品内の磁束も一定である。一実施形態によれば、周波数が調整されている間、電圧の振幅は実質的に一定に保たれる。したがって、本発明のシステムでは、変圧器、発電機、および電気モータのような磁気部品内の磁束が変化する。磁性部分が飽和しないように磁束の変化を考慮する必要がある。可能な限り低い周波数で部品の磁性部分を設計する必要がある。実際には、変圧器、発電機、およびモータの鉄心などの磁性部分のサイズを大きくして、磁気コアが飽和しないようにする必要がある。より大きなコア構造は、より低いシステム周波数を使用することを可能にし、したがって、システムの作動の最適化はより広い範囲で実行され得る。
【００４６】
一実施形態によれば、原動機に関する最適化された特性は原動機の排出レベルである。原動機の燃料効率を最適化することに関する上記の実施形態と同様に、チャートまたは類似のテーブルを原動機の排出から形成することができる。このようなチャートは、原動機の回転速度および発電電力の関数としての排出レベルを表している。本実施形態の作動および構造は、原動機の燃料消費を最適化する代わりに排出レベルが最適化されることを除いて、燃料効率に関する上記実施形態の作動および構造と同様である。原動機の消費が最適化されている場合、原動機の排出レベルは必ずしも最低ではない。排出レベルは原動機の種類と原動機で使用される燃料の種類次第である。さらに、排出レベルの最適化は、大気汚染物質または温室効果ガスなど種々の排出物に基づいてもよい。本実施形態に従って作動するとき、原動機の回転速度を調整することにより排出物の選択された特性は最適化され、または好ましくは最小化される。
【００４７】
本発明の別の実施形態によれば、原動機に関する特性は原動機の騒音レベルである。原動機の回転速度の中には、共鳴を起こし、または他の回転速度よりも騒音が大きいことがあるため、静音作動が好ましい場合には騒音レベルに従って原動機の回転速度が最適化される。上記の実施形態と同様に、チャートまたはルックアップテーブルは種々の回転速度および動力レベルを用いた騒音レベルから形成されてもよい。このような静音モードで作動するとき、騒音レベルを最適化する原動機の回転速度が選択される。チャートまたはルックアップテーブルが形成される場合、最適化の作動および構造は上述のとおりである。
【００４８】
さらに、騒音レベルは、システムが作動する設定回転速度を選択することによって最適化することもできる。このような実施形態では、原動機の回転速度は固定されており、動力レベルの変化にもかかわらず変化しない。いくつかの状況においては、雑音レベルの最適化が望ましい場合がある。例えば、港から出発するとき、最低許容速度または最低の騒音レベルを提供することが知られている他の回転速度に原動機の回転速度を低下させることによって、スラスタモータの騒音レベルを低下させることができる。場合によっては、スラスタモータはＡＣバスに直接接続され、電圧の周波数に応じた速度で回転する。回転速度基準、したがって周波数を調整できるとき、スラスタの回転速度も調整される。発生されるＡＣ電圧の適切な周波数を選択することによって、スラスタからの騒音を最小化することができる。
【００４９】
本発明によれば、原動機の回転速度基準が提供されるので、固定の回転速度基準を原動機に与えることによって、発電電圧の周波数は公称周波数に強制され、または設定され得る。これにより、使用から最適化を効果的に除去し、システムは従来のシステムとして機能する。いつでも、最適化を再び使用することができる。
【００５０】
燃料消費の最適化のために、本発明の一実施形態では原動機の作動点が変更される。得られた節約は、従来作動されていた発電システムに関して最大１０％になり得る。
【００５１】
原動機の回転速度、したがって電圧の周波数は、電力需要が所定の期間安定しているときに最適化されることが好ましい。システムの回転速度基準は、電力レベルの各変化に伴って必ずしも変化される必要はない。一般に、長い航海は大型船で行われ、それによって船は実質的に一定の条件で長期間運転される。船の速度が一定であるこのような長期間は、燃料消費の最適化のための適切な条件である。本発明の一実施形態によれば、原動機に関する特性を最適化するように適合された手段は、発電機の負荷レベルが設定された時間にわたって実質的に一定のレベルになった後に作動される。設定された時間は、例えば１０分から１５分の範囲内であり得る。しかしながら、設定された時間は、変更された条件に最適化がより迅速に反応できるように、手動で所望の値に設定することができる。例えば、新しい動力レベルが要求され、かつ巡航速度の増加に由来するコマンドによって到達される場合、最適化は要員によって開始または強制され得、すなわち、要員は動力レベルとスピードが得られるとすぐに最適化を開始することができる。
【００５２】
船または船舶における生成された電力の主な消費者は一般には推進装置である。したがって、燃料消費または排出レベルの最適化は、推進装置によって使用される電力に基づくのが好ましい。上述の実質的に一定の負荷レベルとは、増加または減少傾向を示さないが、動力レベルの数パーセントの範囲内の変化で安定している負荷レベルを指す。
【００５３】
図１は、発電機の公称周波数が６０Ｈｚである場合の原動機の回転速度の変化に関して、発電機によって生成される電圧の出力周波数の可能な変化を水平軸の下に示す。
【００５４】
最適化において、燃料消費を最適化するように適合された手段は、発電機のモデルを含むこともできる。そのような場合、発電機の作動はモデルでシミュレートされる。このモデルは、原動機に関する特性および異なる回転速度についての特性に推定を与える。一度、モデルが、ある回転速度値において、最少燃料消費などの最適化された特性を生成すると、その回転速度は実際のプロセスに基準として与えられる。
【００５５】
本発明の一実施形態によれば、原動機に関する特性を最適化するように適合された手段は、最適化された特性の値を原動機の使用中に受け取るように適合された手段を含む。これらの受け取られた値は、読取り可能ルックアップテーブルまたは同様のデータベースを生成する最適化の間、好ましくはその前に収集される。その値を受け取るために、システムは、システムから測定された値を表す信号を受け取る。このような値は、例えば、燃料消費データである。測定された燃料消費量は、読み取り可能なチャート、マップ、ルックアップテーブルまたは同様のデータベースを形成することができるように、回転速度および動力レベルデータと共に、特性を最適化するように適合された手段に伝達される。
【００５６】
ルックアップテーブルのような読み取り可能なデータベースは、原動機の製造者によって提供されることもある。しかしながら、そのようなデータベースが提供されない場合は、船を運転しているとき、原動機の使用中にそれを形成することができる。このような場合、船の使用の間、発電機の回転速度が、手動で、あるいは特定のロジックで、種々の動力レベルに調整される。燃料消費などの最適化される特性が、最適化の目的のために使用され得るデータベースを形成するために、測定され格納される。
【００５７】
原動機に関する測定可能な特性は、そのようなデータベースを形成するために格納されることができ、データベースに基づいて、特性を最適化する値に回転速度を変更することによって特性を最適化することもできる。さらに、使用中に原動機の特性が変化し、原動機で使用される燃料の変化が最適作動領域を変える可能性があるので、測定データでデータベースを更新することが望ましい場合がある。
【００５８】
本発明のシステムによって発生されるＡＣ電圧の周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに固定されていない。一部の消費者または負荷が作動に安定した周波数を要求する場合、これはそのような電圧を供給するためのコンバータを使用することによって実行されることができる。コンバータは、可変周波数ＡＣ電圧に直接接続された周波数コンバータ、または、そのようなものが利用可能であれば、ＤＣ電圧に接続されたインバータであってもよい。発電機の電圧は実質的に一定に保たれるので、種々の負荷のためのシステムに用いられる周波数コンバータは、能動フロントエンドコンバータ（active front-end converter）を必要としない。すなわち、システムの周波数コンバータは、周波数コンバータ内で電圧を昇圧する必要がないので、受動整流ブリッジを用いて作動することができる。
【００５９】
本発明で用いられる原動機は、エネルギー源からの回転運動を生成する任意のタイプの回転機械とすることができる。このような機械の例には、ディーゼルエンジン、ガスタービンまたは、燃料油ないしガスを任意の形態で使用するエンジンなどの燃焼エンジンが含まれるが、これらに限定されない。図１のチャートは、原動機に関する特性の最適化の際に使用できるチャートの例として、さらに示されている。図１のチャートは、本発明によって得られる利点を説明するために描かれている。
【００６０】
原動機の軸に結合される発電機のタイプは特定の種類の発電機に限定されない。本発明の１つまたは複数の発電機は同期発電機であることが好ましい。しかしながら、本発明は他のＡＣ発電機でも実現することができる。
【００６１】
本発明によれば、多相電圧の振幅の基準値が提供される。振幅の基準値は一定の値を有することができ、それにより、発電機は固定の振幅が生成されるように作動するよう適合される。既知のように、振幅の基準は固定されているが、振幅はシステムの動的変動を考慮に入れて一定の限界内で変動してもよい。例えば、振幅は、電圧の公称または定格値の±５％の範囲内で変化し得る。
【００６２】
本発明のシステムは、少なくとも３つの作動点で作動するように適合され、作動点は、多相電圧の周波数に対する多相電圧の振幅の比によって規定される。３つの作動点は、例えば、電圧の振幅が一定であり、かつ周波数が３つの異なる値、例えば、システムの公称周波数、システムの最低許容周波数、およびシステムの公称周波数の９０％に対応する周波数を有する作動点であってもよい。さらに、３つの作動点は、周波数が一定であり、かつ電圧が公称電圧の１００％、９８％、および９７％の値を有する作動点であってもよい。少なくとも３つの作動点は複数の方法で達成できることは明らかである。
【００６３】
一実施形態によれば、作動点は公称周波数および公称電圧において最低値を有する。上記の電気的作動点は、電圧／周波数平面における作動を規定する。比率の最低値が、図４に示すように、公称周波数ｆｎｏｍおよび公称電圧Ｖｎｏｍにあるとき、他の可能な作動点は図４の比率一定の線４１の上方に位置する。既知の定数ボルト／ヘルツ比を使用して電気システムの周波数が変更されると、上で規定された作動点は、一定のままであり、上述の線４１に従う。
【００６４】
本開示によれば、発電電圧の振幅は、一定のボルト／ヘルツ比が維持されないように、周波数と共に変動するよう調整される。例えば、周波数が例えば公称周波数の７５％である最低許容値にあるとき、電圧の振幅は、定格値から５％だけ低下する。電圧の振幅がこのように減少すると、磁気部品は、通常よりもわずかに高い磁束に、飽和することなく耐えるように設計される必要がある。このようにして、電圧は、より小さい周波数変動に対しては定格値に留まり、より大きい周波数減少でのみ減少させられる。周波数に関する電圧振幅の変化は線形である必要はない。回転速度基準と電圧振幅基準とは、発電機−原動機の組み合わせに別々に提供される。基準は相互に独立しているが、基準の間の特定の関係は提供することができる。さらに、電圧の周波数と振幅との関係を設定する場合は、回転速度基準が与えられるときに振幅基準をテーブル等から読み出すことができる。
【００６５】
一実施形態によれば、多相電圧の振幅の基準値は、磁束の大きさの最大増加が磁束の定格の大きさの約５％に制限されるよう、磁束の大きさの変化を減少させるように変更されるように適合される。
【００６６】
周波数に関する電圧の僅かな調整は、既存の設備を、部品をすべて変更するのではなく、可変周波数システムに変える、改装のアプリケーションに特に適している。これに関連して、既存の磁気部品の磁気設計が分析され、周波数−電圧特性がシステム部品に準拠するように規定される。新規の設備に関連して、電圧の振幅の僅かな低下により、システム部品の磁気特性の設計の可能性が生じる。電圧の振幅を下がると、磁気コアをやや小さくすることができる。しかしながら、電圧の振幅が減少すると、各々の消費者に利用可能な電力が減少し、システムの作動の最適化が幾分低減される。
【００６７】
上記では、システムは船または船舶に関連して記載されている。本システムは、原動機を用いて回転される発電機を使用して電気エネルギーが生成される別個のマイクログリッドとして使用することもできる。
【００６８】
技術が進歩するにつれて、本発明の概念を様々な方法で実施できることは、当業者には明らかであろう。本発明およびその実施形態は、上記の実施例に限定されず、特許請求の範囲内で変えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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