本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)，更具體地，涉及獨立發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

獨立發(fā)電系統(tǒng)用于無法電連接至廣域電網(wǎng)的情況或位置。這種獨立系統(tǒng)還用于其中采用與發(fā)電機連接的原動機來產(chǎn)生供船舶等中的各種電氣設(shè)備消耗的電能的船舶、游艇和其他海運工具。所生成的電能供推進船舶所需的設(shè)備所使用，并且用于向與船舶的操作相關(guān)的各種部件和系統(tǒng)供電。此外，在客船上，乘客也消耗大量的電能，要么直接使用電氣設(shè)備要么間接使用船上可用的支持方式。

通過利用連接至原動機的發(fā)電機生成ac電力來向船舶提供電能是已知的。原動機使用諸如柴油和燃料油的各種能源來使發(fā)電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。為了不同的目的，所生成的ac電力被轉(zhuǎn)換到合適的電壓電平。在大型船舶中，多臺發(fā)電機并行地操作，并且所述操作由上級控制系統(tǒng)監(jiān)控。上級控制系統(tǒng)在電力需求需要其時通過改變有源發(fā)電機的數(shù)量來控制發(fā)電機的電力管理。上級控制系統(tǒng)被配置成使得發(fā)電系統(tǒng)的操作以穩(wěn)定的方式運行，而與電力需求的變化無關(guān)。

通過控制原動機的燃料噴射以使得原動機保持其轉(zhuǎn)速恒定來對生成的電力進行控制。例如，當(dāng)發(fā)電機的負(fù)載增加時，燃料噴射也增加以保持轉(zhuǎn)速恒定。當(dāng)發(fā)電機直接連接至原動機的軸時，所生成的ac電力的輸出頻率也保持恒定。

在另一種方法中，每個原動機-發(fā)電機組配備有ac至dc整流器。整流器的輸出連接至公共dc總線。進一步將生成的電力轉(zhuǎn)換為ac電力，以便電力可供ac設(shè)備消耗。在這樣的結(jié)構(gòu)中，可以控制每個發(fā)電機-原動機組的輸出頻率以優(yōu)化系統(tǒng)的操作。在具有dc配電的發(fā)電系統(tǒng)中，由于每個發(fā)電機需要單獨的整流器，所以電氣部件的數(shù)量很大。在安裝功率量很大的大型設(shè)施中，所需的dc元件例如斷路器由于操作于中等電壓水平而是昂貴的。此外，當(dāng)將dc電壓轉(zhuǎn)換回用于消耗者的ac電壓時，需要另外的電力轉(zhuǎn)換。

文獻(xiàn)ep2682339a1公開了一種ac配電網(wǎng)絡(luò)的頻率可改變的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，原動機的速度保持得盡可能低，以使效率最大化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供解決上述問題的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的目的是通過系統(tǒng)和方法來實現(xiàn)的，系統(tǒng)和方法的特征在于獨立權(quán)利要求中所述的內(nèi)容。在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

本發(fā)明基于以下構(gòu)思：利用一個或更多個發(fā)電機產(chǎn)生到公共多相總線的、具有可調(diào)頻率和基本恒定電壓的多相ac電壓。用于使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電能的原動機被提供可根據(jù)各個方面來選擇的轉(zhuǎn)速參考。

本發(fā)明的優(yōu)點在于，可以根據(jù)操作者的偏好將原動機的操作點設(shè)置到期望值。本發(fā)明允許使用固定轉(zhuǎn)速，該固定轉(zhuǎn)速不一定是原動機的標(biāo)稱轉(zhuǎn)速。當(dāng)一個或更多個發(fā)電機產(chǎn)生基本恒定電壓時，所生成的電力不依賴于頻率，因此全部生成電力在所有頻率處都可用。由于電壓以變化的頻率保持基本恒定，所以每個個體消耗者獲得全部電力，而無需具體的布置(例如具有有源前端的變頻器)。因此，可以調(diào)節(jié)頻率，而不犧牲個體消耗者的可用電力。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，多相ac電壓具有被控制為恒定的幅度。當(dāng)使用固定幅度時，系統(tǒng)中的磁性部件的磁通量隨著頻率的變化而改變。然而，如果頻率降低時電壓的幅度略微降低，則磁通量的增量可以略微降低。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速參考來優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性。這樣的屬性是例如原動機的燃料消耗量。因此，在本實施方式中，允許原動機的轉(zhuǎn)速被改變以使燃料消耗量最小化。發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化意味著所生成的ac電壓的頻率也改變。

在已知系統(tǒng)中，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持恒定，使得產(chǎn)生到多相電壓總線的固定頻率。這意味著電力需求即發(fā)電機的負(fù)載決定原動機的操作點。原動機通常被優(yōu)化用于在某些電力水平下以固定頻率操作。然而，轉(zhuǎn)速的變化還影響燃料的消耗量，并且在本實施方式中采用了該屬性。

在實施方式中，原動機接收來自上級控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速參考，并且發(fā)電機使其輸出頻率與參考同步，使得形成頻率可調(diào)的交流電壓總線。因此，上級控制系統(tǒng)通過指示一個或更多個并聯(lián)發(fā)電機以使原動機的燃料消耗量或其他屬性最小化的頻率運行來優(yōu)化燃料消耗量或其他優(yōu)化屬性。

在本發(fā)明中，針對原動機的轉(zhuǎn)速以及針對多相電壓的幅度提供了獨立的參考值。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)速參考用于優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性，幅度參考用于改變系統(tǒng)中的磁通量，以使得磁性部件不飽和。

利用本發(fā)明，可以采用可靠且魯棒的ac技術(shù)。此外，該系統(tǒng)能夠根據(jù)所選擇的設(shè)計使用ac技術(shù)或dc技術(shù)來傳輸電力。

附圖說明

在下文中，將參照附圖借助于優(yōu)選實施方式來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1示出了作為原動機的轉(zhuǎn)速和生成電力的函數(shù)的燃料消耗量的示例；

圖2示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的實施方式；

圖3示出了作為船速的函數(shù)的電力需求曲線和系統(tǒng)頻率曲線的示例；以及

圖4示出了電壓/頻率平面中的恒定比率線。

具體實施方式

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的系統(tǒng)的主電路圖。在圖2中，四個多相ac發(fā)電機1、2、3和4連接至ac總線5。ac總線包括匯流條(busbar)，即用于所生成的多相電壓的每個相的導(dǎo)體和用于斷路器6的每個相的導(dǎo)體，其中，斷路器6可以用于即使當(dāng)總線承載標(biāo)稱電流時也將總線分為兩個獨立部分。在圖2的示例中，總線的電壓為恒定的11kv，因此發(fā)電機的輸出電壓為恒定的11kv。發(fā)電機的標(biāo)稱功率可以為兆瓦級，在此情況下，所生成的電力足以對具有電力推進系統(tǒng)的大型船舶充電。

圖2還示出了與ac總線連接的各種負(fù)載。在該示例中，推進系統(tǒng)被電驅(qū)動，并且圖2示出了用于推進的電力系統(tǒng)13。這種電力系統(tǒng)包括變壓器、變頻器以及用于驅(qū)動螺旋槳的馬達(dá)。圖2中所示的另外的負(fù)載包括電驅(qū)動器11、12(其用于產(chǎn)生制冷目的的冷凍水的設(shè)備的壓縮機)和直接在線連接的馬達(dá)10例如船首推進器。

圖2還示出了變壓器7，變壓器7用于轉(zhuǎn)換電力并且進一步在船舶內(nèi)分配電力，以用于船舶的其他功能。這樣的其他功能可以涉及客船的艙位和餐廳以及不同工作船只中的各種工作機器，例如鉆井機和抽水機。在示例圖2中，因為ac至dc轉(zhuǎn)換器9被呈現(xiàn)為通過變壓器8連接至ac總線，所以還示出了dc電力分配的可能性。

如圖2所示，各種部件和負(fù)載被呈現(xiàn)為一式兩份。由于冗余要求，原動機和主要電氣部件被安裝在至少兩個分開的空間中?？梢酝ㄟ^打開斷路器6將連接空間的公共ac總線分開。

根據(jù)本發(fā)明，船舶的發(fā)電系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生電能的一個或更多個發(fā)電機1、2、3、4。在圖2的示例中，呈現(xiàn)了四個發(fā)電機。與發(fā)電系統(tǒng)連接的發(fā)電機的數(shù)量不限于任何特定的量。每個發(fā)電機由相應(yīng)的原動機例如柴油發(fā)動機驅(qū)動。這些原動機直接連接至發(fā)電機的軸，使得每個發(fā)電機與相應(yīng)的原動機一起旋轉(zhuǎn)。

如上所述，本發(fā)明中使用的發(fā)電機是多相ac發(fā)電機。通常，發(fā)電機是產(chǎn)生三相電壓的三相ac發(fā)電機。用于大型船舶發(fā)電的發(fā)電機是兆瓦級發(fā)電機。發(fā)電機的標(biāo)稱功率可以相等，或者使得例如兩個發(fā)電機具有較小的額定功率，而其余的發(fā)電機具有較高的額定功率。

發(fā)電機的相位輸出可連接至公共多相總線。圖2示出了總線5與發(fā)電機之間的斷路器。操作斷路器來調(diào)節(jié)連接至總線的生產(chǎn)能力?？偩€5由用于將所生成的電力分配給負(fù)載或消耗者的匯流條或類似的導(dǎo)電構(gòu)件構(gòu)成。多相總線的相位數(shù)對應(yīng)于發(fā)電機的相位數(shù)，并且多相總線通常是具有三個匯流條的三相總線。發(fā)電機為ac發(fā)電機，并且所產(chǎn)生的電壓具有對所有發(fā)電機共同的頻率。

在本發(fā)明的實施方式中，盡管ac電壓的頻率改變，但是所生成的多相ac電壓的幅度保持恒定。當(dāng)產(chǎn)生具有恒定幅度的ac電壓時，可用電力保持恒定，而與ac電壓的頻率無關(guān)。在發(fā)電機中，通過以已知的方式控制發(fā)電機的磁化來獲得恒定的ac電壓。

根據(jù)本發(fā)明，所述系統(tǒng)包括用于為原動機提供轉(zhuǎn)速參考的裝置。眾所眾知，因為每個原動機直接連接至相應(yīng)的發(fā)電機，所以原動機的轉(zhuǎn)速限定了所生成的電壓的頻率。在本發(fā)明中，原動機的轉(zhuǎn)速的參考值與多相電壓的幅度的參考值無關(guān)。也就是說，針對幅度和轉(zhuǎn)速給出了單獨的參考值，并且參考值彼此不直接成比例。此外，在本發(fā)明中，發(fā)電系統(tǒng)適于基于參考值以至少三個操作點操作。操作點被限定為多相電壓的幅度與多相電壓的頻率的比率。

在用于電氣系統(tǒng)的可變頻率操作的典型控制系統(tǒng)中，對電壓的頻率和幅度進行控制，使得基于頻率的變化來改變幅度。當(dāng)頻率改變時，幅度跟著變化，以使電壓幅度與頻率的比率保持恒定。在本發(fā)明中，所生成的電壓的頻率和幅度并非取決于彼此而線性地受控制，這在發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和使用中提供了靈活性。

向原動機提供轉(zhuǎn)速參考的能力意味著：可以基于具體需要或目的將所生成的多相電壓的頻率設(shè)定為給定值?？梢詫C械地連接至發(fā)電機的原動機設(shè)定至期望的轉(zhuǎn)速，從而輸出電壓的頻率跟隨發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。優(yōu)選地在上級控制系統(tǒng)例如船舶的動力管理系統(tǒng)中實現(xiàn)適于提供轉(zhuǎn)速參考的裝置。由于所提到的轉(zhuǎn)速與所生成的電壓的頻率之間的關(guān)系是線性的，所以原動機的轉(zhuǎn)速參考可以認(rèn)為是頻率參考。因此，上級控制系統(tǒng)可以提供頻率參考，其被改變?yōu)橄蛟瓌訖C提供的相應(yīng)轉(zhuǎn)速參考。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述系統(tǒng)包括適于通過調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速參考來優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性的裝置。因此，在本實施方式中，轉(zhuǎn)速參考改變，因此輸出電壓的頻率也改變，使得與原動機相關(guān)的屬性被優(yōu)化。屬性被優(yōu)化的事實是指如下一組動作：將輸出電壓的頻率調(diào)節(jié)到使與原動機相關(guān)的可測量的屬性達(dá)到更理想值的值。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，與原動機相關(guān)的優(yōu)化屬性是原動機的燃料消耗量。在本發(fā)明的另一個實施方式中，與原動機相關(guān)的優(yōu)化屬性是原動機的排放水平。在另一個實施方式中，與原動機相關(guān)的優(yōu)化屬性是原動機的噪聲水平。在當(dāng)頻率可變時所產(chǎn)生的ac電壓幅值保持恒定的情況下，所述系統(tǒng)使得能夠大規(guī)模地優(yōu)化參數(shù)。可以將原動機的轉(zhuǎn)速或輸出頻率調(diào)節(jié)到優(yōu)化例如燃料消耗量的點，并且個體用戶仍然能夠從發(fā)電系統(tǒng)中汲取其標(biāo)稱功率。

在下文中，詳細(xì)描述了與原動機相關(guān)的優(yōu)化屬性是原動機的燃料消耗量的實施方式。在本實施方式中，調(diào)節(jié)或改變多相電壓的頻率以考慮原動機的燃料消耗量。頻率的變化在實踐中意味著系統(tǒng)正在以與所使用設(shè)備的標(biāo)稱頻率不同的頻率進行操作。優(yōu)選地，原動機的頻率從標(biāo)稱值降低，因此原動機的轉(zhuǎn)速從標(biāo)稱值降低，并且進行優(yōu)化的優(yōu)選范圍在原動機的標(biāo)稱轉(zhuǎn)速的60％至100％的速度范圍內(nèi)。如果用發(fā)電機產(chǎn)生電力的標(biāo)稱頻率為60hz，則原動機的60％轉(zhuǎn)速產(chǎn)生頻率為36hz的電壓。相應(yīng)地，如果發(fā)電機的標(biāo)稱頻率為50hz，則60％轉(zhuǎn)速對應(yīng)于頻率為30hz的電壓。然而，嚴(yán)格的操作限制取決于原動機的設(shè)計和類型，并且產(chǎn)生的頻率的下限可以低至標(biāo)稱頻率的50％甚至更低。

上述標(biāo)稱頻率與當(dāng)原動機以其標(biāo)稱轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時獲得的輸出電壓的頻率相關(guān)。在常規(guī)操作中，該標(biāo)稱轉(zhuǎn)速將產(chǎn)生50hz或60hz的標(biāo)稱頻率。

圖1示出了表示作為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機的電力的函數(shù)的柴油發(fā)動機的燃料消耗量的圖表的示例。燃料消耗量示為從100％轉(zhuǎn)速和100％電力水平的操作點開始以g/kwh為單位的變化。從圖表中讀取消耗量，使得線以g/kwh為單位表示消耗量的一定增加或減少。例如，最佳操作點具有圖中用*標(biāo)記的大約90％的轉(zhuǎn)速以及大約70％的電力。當(dāng)離開圓圈時，消耗量增加。從圖表可以看出，在較低的生成電力范圍內(nèi)，消耗量的變化較大，而在較高的電力范圍內(nèi)，線之間的空間較寬，這表明當(dāng)操作點改變時消耗量的變化較小。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，適于優(yōu)化諸如原動機的燃料消耗量的屬性的裝置包括可讀數(shù)據(jù)庫，該可讀數(shù)據(jù)庫指示作為原動機的轉(zhuǎn)速和原動機的負(fù)載水平的函數(shù)的屬性量，例如燃料消耗量。實施方式的可讀數(shù)據(jù)庫(例如查找表)是三維表，在該三維表中與涉及原動機的優(yōu)化屬性相關(guān)的數(shù)據(jù)以如下方式進行存儲：數(shù)據(jù)可以由用于讀取不同操作點處的數(shù)據(jù)的處理器或類似裝置進行訪問。為此目的，優(yōu)化裝置包括如下裝置，該裝置適于基于原動機的已知負(fù)載水平來讀取數(shù)據(jù)庫并且適于輸出最小化或優(yōu)化與原動機相關(guān)的所需屬性的轉(zhuǎn)速值。

在本發(fā)明中，針對用于生成具有與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率的多相電壓的原動機的轉(zhuǎn)速提供了參考值。向原動機提供的轉(zhuǎn)速參考對應(yīng)于用于獲得具有期望頻率的交流電壓的特定頻率參考。

所生成的電壓的頻率適于跟隨轉(zhuǎn)度參考。該參考優(yōu)選地被提供給原動機作為對應(yīng)于頻率參考的轉(zhuǎn)速參考。原動機起作用以增加或減少燃料噴射，使得轉(zhuǎn)速對應(yīng)于該參考。

圖1的圖表被存儲為可讀數(shù)據(jù)庫，例如可讀表。根據(jù)本實施方式的構(gòu)思，當(dāng)在穩(wěn)定狀態(tài)下操作時，將電流消耗值與具有相同電力水平的其他消耗值進行比較。例如，當(dāng)在發(fā)電機的標(biāo)稱速度下操作并且所生成且所需要的電力水平是標(biāo)稱功率的50％時，可以從圖1的圖表中讀出：當(dāng)原動機的轉(zhuǎn)速降低到標(biāo)稱轉(zhuǎn)速的約85％時，燃料消耗量最少。當(dāng)表中的值表示可用消耗量較低時，向一個或更多個有源原動機提供轉(zhuǎn)速參考。當(dāng)操作被改變到另一個電力水平時，重復(fù)優(yōu)化過程。

圖1的消耗量圖表針對在系統(tǒng)中安裝的每個個體原動機以可訪問的形式被存儲。還可以針對安裝在系統(tǒng)中的原動機的任何組合形成查找表或類似的數(shù)據(jù)庫。當(dāng)對燃料消耗量進行優(yōu)化時，讀取表示當(dāng)前有源原動機的消耗量的組合圖表，或者讀取與當(dāng)前有源原動機對應(yīng)的每個單獨的圖表，并且將相應(yīng)的燃料消耗量相加以獲得組合的消耗量。

圖3示出了當(dāng)所生成的電壓的幅度被控制為恒定時的電力需求曲線以及系統(tǒng)頻率和可用電力的示例。圖3的示例示出了本發(fā)明在其中四個發(fā)電機可連接以向系統(tǒng)產(chǎn)生電能的船舶或船只中的構(gòu)思。除了與速度相關(guān)的推進功率之外，電力需求曲線包括恒定的輔助負(fù)載，這從即使船速為零也需要電力的事實可以看出。

從曲線可以看出，當(dāng)船舶的速度在全速度的零至50％的范圍內(nèi)時，一臺發(fā)電機足以產(chǎn)生所需電力。因此，可以改變頻率以優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性。當(dāng)電力需求隨著船速的增加而增加時，將更多的發(fā)電機連接在一起以發(fā)電。例如，當(dāng)船速超過最大速度的50％時，連接第二發(fā)電機以產(chǎn)生電力，并且同時可以降低系統(tǒng)頻率。類似地，隨著電力需求的增加，將更多的發(fā)電機連接至系統(tǒng)。當(dāng)電力需求減少時，可以減少有源發(fā)電機的數(shù)量。

上述示例相對于所生成的電壓的頻率來說明發(fā)電操作。在某些參數(shù)的優(yōu)化中，即使可利用較少數(shù)量的發(fā)電機得到足夠的電力，也可以采用多個發(fā)電機。這是因為參數(shù)優(yōu)化考慮了個體發(fā)電機的電力水平的事實。舉例來說，可能期望利用具有發(fā)電機最大能力的63.3％的三臺發(fā)電機來發(fā)電，而非具有95％能力的兩臺發(fā)電機來發(fā)電。

適于優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性(例如燃料消耗量)的裝置優(yōu)選地形成在上級控制器中，上級控制器還控制與船舶的發(fā)電系統(tǒng)有關(guān)的其他功能。上級控制器接收關(guān)于所生成的電力量和所請求的電力的信息?；谒傻碾娏退埱蟮碾娏?，上級控制器決定是改變當(dāng)前正在使用的發(fā)電機，還是利用當(dāng)前的設(shè)置繼續(xù)操作。在決定操作發(fā)電機時，會考慮優(yōu)化。如果基于所存儲的圖表可以預(yù)見在當(dāng)前負(fù)載被多個原動機共享的情況下燃料消耗量會降低，則上級控制器進行這樣的操作并且設(shè)置轉(zhuǎn)速參考或頻率參考以優(yōu)化燃油消耗量。以類似的方式，上級控制器可以減少正在使用的原動機的數(shù)量。

如上所述，原動機的轉(zhuǎn)速允許在一定限度內(nèi)變化，因此所生成的頻率也允許在一定限度內(nèi)變化。用于發(fā)電系統(tǒng)的操作所需的各種電氣部件能夠在設(shè)定的限度內(nèi)起作用。根據(jù)本發(fā)明，獨立于轉(zhuǎn)速參考而提供所生成的電壓幅度的參考值。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，當(dāng)電壓保持恒定時，需要設(shè)計各種磁性部件例如發(fā)電機和變壓器以考慮這樣的操作。

當(dāng)電壓的幅度以固定的參考值保持恒定而頻率變化時，幅度與頻率之間的比率不是恒定的。如已知的，當(dāng)所提到的伏特/赫茲比率保持恒定時，磁性部件中的磁通量也是恒定的。根據(jù)實施方式，在調(diào)節(jié)頻率的同時，電壓的幅度保持基本恒定。因此，在本發(fā)明的系統(tǒng)中，諸如變壓器、發(fā)電機和電動馬達(dá)之類的磁性部件中的磁通量發(fā)生變化。需要考慮磁通量的變化，使得磁性部分無法飽和。該部件的磁性部分需要根據(jù)最低可能的頻率進行設(shè)計。實際上，需要增加磁性部件(例如變壓器、發(fā)電機和電動馬達(dá)的鐵芯)的尺寸，以使得磁芯不飽和。較大的芯結(jié)構(gòu)使得能夠使用較低的系統(tǒng)頻率，因此可以在更寬的范圍內(nèi)對系統(tǒng)的操作進行優(yōu)化。

根據(jù)實施方式，與原動機相關(guān)的優(yōu)化屬性是原動機的排放水平。與涉及優(yōu)化原動機的燃料效率的上述實施方式一樣，可以由原動機的排放物排放量形成圖表或類似的表。這樣的圖表表示作為原動機的轉(zhuǎn)速和生成電力的函數(shù)的排放水平。該實施方式的操作和結(jié)構(gòu)類似于上述與燃料效率相關(guān)的實施方式的操作和結(jié)構(gòu)，不同之處在于，不是優(yōu)化原動機的燃料消耗量，而是優(yōu)化排放水平。當(dāng)原動機的消耗量被優(yōu)化時，原動機的排放水平不一定是最低的。排放水平取決于原動機的類型和原動機中使用的燃料類型。此外，排放水平的優(yōu)化可以基于不同的排放物，例如空氣污染物或溫室氣體。當(dāng)根據(jù)實施方式操作時，通過調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速來優(yōu)化排放物的選定的屬性或者優(yōu)選地使排放物的選定的屬性最小化。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，與原動機相關(guān)的屬性是原動機的噪聲水平。由于原動機的某些轉(zhuǎn)速可能會引起共振或者噪聲比其他轉(zhuǎn)速大，所以當(dāng)靜音操作較為理想時，原動機的轉(zhuǎn)速將根據(jù)噪聲水平進行優(yōu)化。與上述實施方式一樣，可以由在不同的轉(zhuǎn)速和電力水平下的噪聲水平形成圖表或查找表。當(dāng)以這樣的靜音模式操作時，選擇原動機的轉(zhuǎn)速來優(yōu)化噪聲水平。當(dāng)形成圖表或查找表時，優(yōu)化的操作和結(jié)構(gòu)如上所述。

此外，還可以通過選擇系統(tǒng)進行操作的設(shè)定轉(zhuǎn)速來優(yōu)化噪聲水平。在這樣的實施方式中，原動機的轉(zhuǎn)速是固定的且不改變，盡管電力水平改變。在某些情況下，噪聲水平的優(yōu)化可能是可取的。例如，當(dāng)離開端口時，可以通過將原動機的轉(zhuǎn)速降低到最低允許速度或已知提供最低噪聲水平的任何其他轉(zhuǎn)速來降低推進器馬達(dá)的噪聲水平。在某些情況下，推進器馬達(dá)直接連接至ac總線，并且取決于電壓的頻率以一定速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速參考可以被調(diào)節(jié)并因此頻率被調(diào)節(jié)時，推進器的轉(zhuǎn)速也被調(diào)節(jié)。通過選擇所生成的ac電壓的合適頻率，可以使來自推進器的噪聲最小化。

根據(jù)本發(fā)明，提供了原動機的轉(zhuǎn)速參考，通過向原動機提供固定的轉(zhuǎn)速參考，可以將所生成的電壓的頻率強制為或設(shè)定為標(biāo)稱頻率。這有效地消除了使用時的優(yōu)化，并且所述系統(tǒng)用作傳統(tǒng)系統(tǒng)。隨時可以在使用時再次進行優(yōu)化。

在本發(fā)明的實施方式中，由于燃料消耗量的優(yōu)化，原動機的操作點改變。相對于常規(guī)操作的發(fā)電系統(tǒng)，所獲得的節(jié)省可以最高達(dá)10％。

當(dāng)電力需求已經(jīng)穩(wěn)定達(dá)規(guī)定的時間段時，優(yōu)選地對原動機的轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化，因此電壓的頻率被優(yōu)化。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速參考不一定隨電力水平的每次變化而改變。通常長途航行是利用大型船舶完成的，因此船舶在基本恒定的條件下長時間操作。船舶的這種長時間保持恒定速度是對燃料消耗量進行優(yōu)化的合適條件。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，適于優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性的裝置在發(fā)電機的負(fù)載水平已經(jīng)在設(shè)定的時間段內(nèi)處于基本恒定水平之后被操作。例如，設(shè)定的時間段可以在10分鐘至15分鐘的范圍內(nèi)。然而，可以將設(shè)定的時間段手動地設(shè)置為期望值，使得優(yōu)化可以更快地對已改變的條件做出反應(yīng)。例如當(dāng)源于巡航速度的增加而命令需要并達(dá)到新的電力水平時，還可以由人員發(fā)起或強制進行優(yōu)化，人員可以在獲得電力水平和速度時立即發(fā)起優(yōu)化。

船舶或船只中所產(chǎn)生的電力的主要消耗者通常是推進系統(tǒng)。因此，燃料消耗量或排放水平的優(yōu)化優(yōu)選地基于由推進系統(tǒng)使用的電力。上面提及的基本恒定的負(fù)載水平是指不顯示出增加趨勢或減小趨勢而是電力水平的變化穩(wěn)定在幾個百分比之內(nèi)的負(fù)載水平。

圖1在水平軸下示出了當(dāng)發(fā)電機的標(biāo)稱頻率為60hz時相對于原動機轉(zhuǎn)速的變化由發(fā)電機產(chǎn)生的電壓的輸出頻率可能的變化。

在優(yōu)化中，適于優(yōu)化燃料消耗量的裝置還可以包括發(fā)電機的模型。在此情況下，在模型中模擬發(fā)電機的操作。該模型給出了對與原動機相關(guān)的屬性的估計以及對具有不同轉(zhuǎn)速的屬性的估計。當(dāng)模型以一定的轉(zhuǎn)速值產(chǎn)生優(yōu)化的屬性例如最小燃料消耗量時，給出該轉(zhuǎn)速作為實際處理的參考。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，適于優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性的裝置包括適于接收在使用原動機期間所優(yōu)化的屬性的值的裝置。在優(yōu)化期間(優(yōu)選地在優(yōu)化之前)收集這些接收的值，以用于產(chǎn)生可讀查找表或類似數(shù)據(jù)庫。為了接收這些值，系統(tǒng)接收表示從系統(tǒng)測量的值的信號。這些值例如是燃料消耗量數(shù)據(jù)。所測量的燃料消耗量被傳遞到以下裝置，所述裝置適于優(yōu)化屬性連同轉(zhuǎn)速和電力水平數(shù)據(jù)，以使得可以形成可讀圖表、圖譜、查找表或類似數(shù)據(jù)庫。

還可以由原動機的制造商提供可讀數(shù)據(jù)庫例如查找表。然而，如果不提供這樣的數(shù)據(jù)庫，則可以在船舶運行時在原動機的使用期間形成這樣的數(shù)據(jù)庫。在使用船舶的這類情況下，手動地調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，或者在不同電力水平下以某一邏輯調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。所優(yōu)化的屬性例如燃料消耗量被測量并存儲，以形成可用于優(yōu)化目的的數(shù)據(jù)庫。

可以存儲與原動機相關(guān)的任何可測量的屬性以形成這樣的數(shù)據(jù)庫，并且基于該數(shù)據(jù)庫，還可以通過將轉(zhuǎn)速改變?yōu)閮?yōu)化屬性的值來優(yōu)化該屬性。此外，因為原動機的屬性可能在使用期間改變并且原動機中使用的不同燃料可能改變最佳操作區(qū)域，所以建議使用測量數(shù)據(jù)來更新數(shù)據(jù)庫。

由本發(fā)明的系統(tǒng)生成的ac電壓的頻率不固定為50hz或60hz。如果一些消耗者或負(fù)載需要用于操作的穩(wěn)定頻率，則可以通過采用用于提供這類電壓的轉(zhuǎn)換器設(shè)備來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)換器可以是直接連接至可變頻率ac電壓的變頻器，或者可以是在可用情況下的連接至dc電壓的逆變器。由于發(fā)電機的電壓基本保持恒定，系統(tǒng)中采用的用于各種負(fù)載的變頻器不需要有源前端轉(zhuǎn)換器。也就是說，因為變頻器中不必使電壓升高，所以系統(tǒng)的變頻器可以使用無源整流橋來操作。

本發(fā)明中采用的原動機可以是從能量源產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的任何類型的旋轉(zhuǎn)機器。這樣的機器的示例包括但不限于使用燃料油或任何形式的氣體的內(nèi)燃機，例如柴油發(fā)動機、燃?xì)廨啓C或發(fā)動機。還給出了圖1的圖表作為可用于優(yōu)化與原動機相關(guān)的屬性的圖表的示例。繪制了圖1的圖表以說明用本發(fā)明獲得的優(yōu)點。

與原動機的軸連接的發(fā)電機的類型不限于任何特定類型的發(fā)電機。優(yōu)選地，本發(fā)明的一個或更多個發(fā)電機是同步發(fā)電機。然而，本發(fā)明還可以利用其他ac發(fā)電機來實施。

根據(jù)本發(fā)明，提供了多相電壓的幅度的參考值。幅度的參考值可以具有恒定值，由此發(fā)電機則適于操作成使得產(chǎn)生固定的幅度。眾所周知，盡管幅度的參考是固定的，但是考慮到系統(tǒng)的動態(tài)變化，幅度可以在一定限度內(nèi)變化。例如，幅度可能在電壓的標(biāo)稱值或額定值的±5％的范圍內(nèi)變化。

本發(fā)明的系統(tǒng)適于操作于至少三個操作點，并且操作點由多相電壓的幅度與多相電壓的頻率的比率確定。三個操作點可以是例如以下操作點：其中，電壓的幅度恒定并且頻率具有三個不同值，例如系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率、系統(tǒng)的最低允許頻率以及與系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率的90％對應(yīng)的頻率。此外，三個操作點可以是以下操作點：其中，頻率恒定并且電壓具有標(biāo)稱電壓的100％、98％和97％的值。很明顯，可以通過多種方式得到所述至少三個操作點。

根據(jù)實施方式，操作點在標(biāo)稱頻率和標(biāo)稱電壓下具有最低值。上述電氣操作點限定了電壓/頻率平面中的操作。如圖4所示，當(dāng)比率的最小值處于標(biāo)稱頻率fnom和標(biāo)稱電壓vnom時，其他可能的操作點位于圖4的恒定比例線41的上方。當(dāng)使用已知的常數(shù)伏特/赫茲比率來改變電氣系統(tǒng)的頻率時，上述定義的操作點保持恒定并且遵循上述線41。

根據(jù)本公開內(nèi)容，調(diào)節(jié)所生成的電壓的幅度以與頻率一起變化，使得恒定的伏特/赫茲比率不被保持。例如，當(dāng)頻率處于最小允許值(例如可以是標(biāo)稱頻率的75％)時，電壓幅度從額定值下降5％。隨著電壓幅度的降低，磁性部件需要設(shè)計成僅承受與正常情況下相比沒有飽和的、略高的磁通量。以此方式，對于較小的頻率變化，電壓可以保持在額定值，并且電壓僅在較高頻率下降時才降低。電壓幅度相對于頻率的變化不一定是線性的。將轉(zhuǎn)速參考和電壓幅度參考分別提供給發(fā)電機-原動機組合。雖然參考彼此獨立，但是可以提供所述參考之間的一定關(guān)系。此外，當(dāng)電壓的頻率與幅度之間的關(guān)系被設(shè)定時，可以從表或類似物中讀取當(dāng)給出轉(zhuǎn)速參考時的幅度參考。

根據(jù)實施方式，多相電壓的幅度的參考值適于改變以降低磁通量量值的變化，使得磁通量的量值的最大增量被限制為磁通量的額定量值的約5％。

相對于頻率對電壓進行略微調(diào)節(jié)特別適合于現(xiàn)有設(shè)施變?yōu)榭勺冾l率系統(tǒng)而不改變所有部件的改裝應(yīng)用。在這樣的連接中，分析現(xiàn)有磁性部件的磁性設(shè)計，并且限定頻率-電壓特性以符合系統(tǒng)部件。結(jié)合新的設(shè)施，電壓幅度的略微降低為設(shè)計系統(tǒng)部件的磁屬性提供了可能性。當(dāng)電壓的幅度降低時，磁芯可以做得小一些。然而，當(dāng)電壓的幅度降低時，個體消耗者可用的電力減少，并且系統(tǒng)操作的優(yōu)化有所減少。

在上文中，結(jié)合船舶或船只描述了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以用作其中使用與原動機一起旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機產(chǎn)生電能的單獨的微型電網(wǎng)(micro-grid)。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，隨著技術(shù)的進步，本發(fā)明的構(gòu)思可以以各種方式實現(xiàn)。本發(fā)明及其實施方式不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。