用于船的电力系统的制作方法
【专利摘要】提出了一种用于船的动力定位的电力系统（3）。本文所公开的电力系统减少了单位燃料消耗量、减少了在内燃机驱动发电机中的碳沉积堆积和缸孔磨光的风险，并且针对若干动力定位级别提供了足够对抗断电的保护。电力系统（3）包含第一内燃机驱动发电机（G1）、第二内燃机驱动发电机（G2）、电池单元（11）、以及被布置为从电池组（11）向船提供电力的变换器单元（9），其中在电力系统（3）的第一操作状态中，只有第一内燃机驱动发电机（G1）被布置为向船输送电力，并且其中在第一内燃机驱动发电机（G1）遭受故障的第二操作状态中，第二内燃机驱动发电机（G2）被配置为向船输送电力，并且其中变换器单元（9）被布置为在从第一操作状态转变到第二操作状态期间向船输送电力。还提出了分段电力系统（2），其是包含若干如上述所限定的电力系统（3）的系统。
【专利说明】用于船的电力系统
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于船的电力系统，并且特别是涉及针对船的动力定位提供后备的电力系统。此外，本公开涉及分段电力系统，其包含至少两个此类电力系统。
【背景技术】
[0002]动力定位(DP) —般是借助于船的推进装置保持船的位置和航向的方法。利用动力定位的船包括半潜式钻井平台和钻井船。
[0003]已经为动力定位船只制定了安全相关的规则。这些规则定义了级别DP1、DP2和DP3。用于DP2和DP3船的级别规则要求在发生单一故障后必须保持位置。在实践中，这意味着必须绝不允许出现断电。为此，DP船通常运行在具有关断的母线联络(bustie)的分裂母线配置中。对于半潜式钻井平台，这通常意味着二分裂配置，而对于钻井船，典型的是三分裂配置。对于在大多数环境条件下的DP2和DP3操作来说，这些配置足以防止断电并且符合级别要求。
[0004]钻井平台常常在除了由分裂母线配置提供的冗余之外还使用额外的冗余来操作。在DP操作期间，在每个分裂中，一些钻井平台操作人员为钻井平台提供至少两个运行的发电机，以最小化在每个分裂内的部分断电的风险。然而，使用若干运行的发电机的配置有若干缺点。
【发明内容】
[0005]本发明人已经意识到，在正常操作中，在每个分裂中具有若干运行的发电机的配置中，发电机上的负载通常可能低至15-20%。
[0006]低负载操作有若干缺点。例如，此类运行具有导致柴油发电机的柴油引擎的高单位燃料消耗量的低效率。此外，增加了 C02、NOx, SOx和颗粒排放，并且增加了柴油引擎中的碳堆积以及缸孔磨光的风险。
[0007]鉴于上述，本公开的目的是提供用于DP船的电力系统，其具有对抗局部或全部断电的足够的鲁棒性级别，同时减少碳沉积和缸孔磨光的风险。
[0008]本公开的另一个目的是减少单位燃料消耗量和排放到环境中的污染物。
[0009]因此，本公开提供了用于船的动力定位的电力系统，所述电力系统包含:第一内燃机驱动发电机、第二内燃机驱动发电机、电池单元、以及被布置为从所述电池组向所述船提供电力的变换器单元，其中在所述电力系统的第一操作状态中，只有所述第一内燃机驱动发电机被布置为向所述船输送电力，并且其中在第二操作状态中，所述第一内燃机发电机遭受故障，所述第二内燃机驱动发电机被布置为向所述船输送电力，并且其中在从所述第一操作状态转变到所述第二操作状态期间，所述变换器单元被布置为向所述船输送电力。
[0010]通过提供如下的电力系统增加了运行中的内燃机驱动发电机，即所述第一内燃机驱动发电机上的负载，在该电力系统中在正常操作中，至少一个内燃机驱动发电机，例如所述第二内燃机驱动发电机是不运行的，因此不向所述船提供电力。例如，在每个母线分裂配置两个发电机的情况下，在所述运行中的发电机，即向所述船输送电力用于其动力定位的发电机上的负载是双倍的。通过增加发电机上的负载，减少了单位燃料消耗量。此外，所增加的负载减少了碳沉积的堆积和缸孔磨光的风险。
[0011]通过提供如下的电力系统，用于所述电力系统的全部引擎运行时间累积地更慢，在该电力系统中在正常操作中，至少一个内燃机驱动发电机是不运行的。
[0012]有利地，更低的燃料消耗量减少了燃料费用和有害物质的排放。此外，更慢的运行时间累积和减少的碳沉积的堆积以及减少缸孔磨光的风险可以显著地延长所述内燃机驱动发电机的维护周期。
[0013]第一操作状态可以是所述第一内燃机驱动发电机是处于正常操作模式的状态。因此，当所述第一内燃机驱动发电机发生故障时，所述第二内燃机驱动发电机开始操作，并且因此向所述船输送电力。在所述第一内燃机驱动发电机发生故障和在所述第二操作状态中所述第二内燃机驱动发电机投入运行之间的时间中，所述电池单元和变换器单元允许基本上连续地在母线分裂中输送电力。因此，在所述第一操作状态和所述第二操作状态之间的转变中，所述电池单元和所述变换器单元被布置为输送电力。
[0014]本文中的母线分裂应当被理解为分开的母线或分开的汇流排，即借助于一个或多个母线联络或隔离开关将母线与其它母线或汇流排断开连接。
[0015]一个实施例包含母线，其中所述第一内燃机驱动发电机和所述第二内燃机驱动发电机可连接到所述母线，并且其中所述变换器单元可连接到所述母线和所述电池单元。
[0016]一个实施例包含旋转变换器，其中所述变换器单元可经由所述旋转变换器连接到所述母线。借助于所述旋转变换器，可以提供所述电力系统的频率和电压的无扰维护，直到在所述运行的发电机，即所述第一内燃机驱动发电机跳闸的情况下所述变换器单元开始输送电力。尤其是，可通过由所述旋转变换器的旋转轴或转子提供的惯量来实现所述无扰维护。
[0017]在一个实施例中，所述旋转变换器包含经由所述旋转变换器的旋转轴电耦合的发电机和感应电机。有益地，可包含变频驱动的所述变换器单元从而能够控制所述感应电机的旋转速度，并且因此控制经由所述发电机向所述船输送的电力，并且在例如负载变化的情况下补偿所述电力系统中的频率变化。因此，在任何惯性力减慢所述旋转变换器的共同旋转轴的旋转前，所述变换器单元能够向所述船输送电力，因而可向所述船提供连续和无扰的电力输送。所述旋转变换器的所述发电机能够补偿所述电力系统中的电压变化。因此可以提供对坑部分或全部断电的足够的鲁棒性。部分断电可理解为意味着在一个母线或母线分裂中的断电或电力供应故障，而全部断电意味着在所有母线或母线分裂中的断电或电力供应故障。
[0018]在一个实施例中，所述发电机是MV同步发电机。MV发电机，即中压发电机可以连接到所述电力系统的母线分裂，所述母线分裂通常是中压母线，例如llkV。
[0019]在一个实施例中，所述感应电动机是LV感应电机。LV感应电机，即低压感应电机提供所述变换器单元和所述旋转变换器中的发电机之间的接口，并且驱动所述发电机。因此，LV感应电机可以连接到LV变换器单元。作为示例，LV感应电机可以是额定为690V，然后其可连接到设计为在690V操作的低压变换器单元。从而，现有的标准组件可用于所述变换器单元和电池单元，在一个实施例中，它们连同所述旋转变换器组成所述电力系统中的电力备用装置的一部分。
[0020]在一个实施例中，所述感应电机可连接到所述变换器单元，并且其中所述发电机可连接到所述母线。因此，所述发电机，即所述发电机的转子由所述感应电机来驱动。特别地，所述感应电机和所述发电机共享用于电力输送的同一旋转轴。
[0021]所述变换器单元较优地包含DC到AC变换器，即逆变器，其用于将由所述电池单元提供的直流转换成用于控制所述感应电机所利用的交流。
[0022]在一个实施例中，当电力系统的频率低于预定阈值时，所述变换器单元适用于向所述船输送电力。因此，控制器单元可以提供对例如所述变换器单元的半导体设备的开关元件进行适当切换，以便即使在所述第一操作状态和所述第二操作状态之间转变期间，也保持所述电力系统中的电压和频率水平。
[0023]在一个实施例中，所述变换器单元包含用于控制所述感应电机的旋转速度的变频驱动。
[0024]有益地，在分段电力系统中可以利用至少两个如本文所公开的电力系统。为此，所述分段电力系统包含至少两个电力系统以及至少一个能够连接所述至少两个电力系统的母线联络。因此，分段电力系统是用于船动力定位的电力系统，包含若干组的第一内燃机驱动发电机和第二内燃机驱动发电机以及对应的若干组的电池单元和变换器单元。在DP操作中，所述母线联络通常是断开的，以试图限制故障传播到一个母线分裂。此种配置减少了全部断电的风险，并且一般用于半潜式钻井平台和钻井船。
[0025]较优地，船舶可包含此类分段电力系统。
[0026]一般来说，在权利要求中所使用的所有术语是根据其在【技术领域】中的普遍含义来解读，除非在本文中以其它方式明确限定。“一个/ 一种/所述元素、装置、组件、构件、步骤等”的所有引用应当被公开地解读为指所述元素、装置、组件、构件、步骤等中的至少一个实例，除非以其它方式明确地阐明。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]将通过示例参照附图来描述本发明的概念，其中:
[0028]图1是在水体中执行动力定位的船的顶视图。
[0029]图2是包含两个电力系统的分段电力系统的示意单线图。
[0030]图3是用于图2中的电力系统中的每一个电力系统的备用系统的示意单线图。
【具体实施方式】
[0031]现在，在下文中将参照附图更充分地描述本发明的概念，其中示出了某些实施例。然而，需要注意的是，本文所公开的船和电力系统可以以许多不同的形式来体现，并且不应当被理解为限制于下文中所阐述的实施例；相反，这些实施例是作为示例来提供的，使得本公开将是彻底的和完全的，并且将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。在说明书中，相同的附图标记指相同的元件。
[0032]参照图1，示出了船舶1，在下文中被称为船。在水体W中的船I是从上面来示出的，其中由于包括波浪运动M、潮流和风的环境因素，所述船I遭受力Fl。
[0033]船I例如可以是利用用于控制其位置和航向的动力定位的钻井船或半潜式钻井平台或任何其它类型的船。
[0034]示例性船I包含分段电力系统2以及与分段电力系统2有效连接的推进器5a、推进器5b和推进器7。船I还具有用于控制推进器的传感器系统和控制系统，使得尽管力Fl作用在船I上，但是船还保持其位置和航向。在本文中将不会更详细地描述传感器系统和控制系统，因为对于动力定位的目的而言，此类系统是已知的。
[0035]还应当注意的是，船I仅是适合于与分段电力系统2结合使用的船的示例，其将在本文中更详细地进行描述。因此，一般来说，与图1的示例中所示出的图示相比，装有分段电力系统2的船可具有不同的推进器或推进设备配置。此外，需要注意的是，分段电力系统I的放置是示意性的。因此，在分布式分段电力系统的情况下，分段电力系统I可处于另一个位置或多个位置。
[0036]返回图1，船I具有布置在船I的船头的在相对于船I的纵向延伸的横向方向中的船首推进器7，以及两个方位推进器5a和5b。方位推进器5a和方位推进器5b围绕各自基本上垂直的轴线旋转，以用于船I的定位控制。因此，当传感器系统感测到应用于船I的力Fl时，控制系统向推进器5a、推进器5b和推进器7提供控制信号，以用于产生提供相对于力Fl的反力F2和F3的推力。为此，分段电力系统2被布置为向推进器5a、推进器5b和推进器7提供电力。特别地，分段电力系统2是如将在下文中解释的那样布置，使得即使在分段电力系统2中出现发电机故障，其也以船能够保持位置的方式向船I的推进器5a、推进器5b和推进器7中的一些或全部推进器提供电力。
[0037]有利地，与现有后备电力解决方案相比，本文所提出的分段电力系统2提供了用于向船I供应电力同时减少单位燃料消耗量和碳沉积堆积的安全手段。
[0038]在下文中将更详细地描述电力系统和分段电力系统的示例。
[0039]图2示出了包含若干电力系统3的分段电力系统2的示例的单线图。优选地，分段电力系统2是三相电力系统，但是应当理解，具有较少或更多相的变化也是可能的。
[0040]每个电力系统3包含第一内燃机驱动发电机Gl和第二内燃机驱动发电机G2，诸如柴油发电机。在其它示例中，内燃机驱动发电机Gl和G2可以是燃气轮机或其它内燃机。
[0041]第一内燃机驱动发电机Gl和第二内燃机驱动发电机G2中的每一个都包含内燃机驱动引擎和具有借助于内燃机驱动引擎驱动的转子的发电机，从而产生电流。
[0042]每个电力系统3还包含电力后备装置10，其包含变换器单元9和电池单元11。变换器单元9被布置为出于动力定位目的而将由电池单元提供的DC电源变换成用于向船1，并且特别是向其推进器供应电力的AC电源。
[0043]每个电力系统3包含母线13，第一内燃机驱动发电机Gl和第二内燃机驱动发电机G2以及电力后备装置10经由断路器D连接到母线13，以用于有选择地控制连接到母线13的第一内燃机驱动发电机Gl、第二内燃机驱动发电机G2以及电力后备装置10中的那些单元。在一个实施例中，母线13可以是IlkV母线。
[0044]此外，在第一内燃机驱动发电机G1、第二内燃机驱动发电机G2以及电力后备装置10中的任何一个遭受故障并且需要跳闸的情况下，断路器D可用于使它们中的任何一个断开连接。
[0045]在电力系统3的第一操作状态中，第一内燃机驱动发电机Gl连接到母线13，从而能够向船I及其推进器输送电力。电力后备装置10通常还连接到母线13，借以变换器单元9能够向船I输送电力。特别地，控制单元(未示出)被布置为控制变换器单元9，即控制变换器单元9的开关元件的切换，使得在第一内燃机驱动发电机出现故障的情况下，能够向船提供合适的电力补偿。
[0046]在第二操作状态中，第一内燃机驱动发电机Gl跳闸，即断路器将第一内燃机驱动发电机Gl与母线13断开连接，第二操作状态为其中第一内燃机驱动发电机Gl遭受故障的状态。随后，使作用为备用发电机的功能的第二内燃机驱动发电机G2进入运行模式，以便能够向船I输送电力。在第一内燃机驱动发电机Gl发生故障和第二内燃机驱动发电机处于运行模式能够产生电力之间的时间中，电力后备装置10经由电池单元11和变换器单元9向船I提供电力。从而，在发电机故障期间，也能保持电力系统3中的电压电平和频率水平。
[0047]图3示出组成诸如电力系统3的电力系统的一部分的电力后备装置10-1的示例。后备装置10-1包含电池单元11、可连接到电池单元11的变换器单元9、以及可连接到变换器单元9的旋转变换器12。在一个实施例中，旋转变换器12是690V =IlkV旋转变换器。
[0048]旋转变换器12包含电动机15和发电机17。旋转变换器12具有旋转轴15_1，即转子。优选地，旋转轴15-1是发电机17和电动机15的共同轴。因此，当电动机15经由变换器单元9驱动旋转轴15-1旋转时，旋转轴15-1感应到发电机17的定子中的电流。从而，发电机17向船I及其推进器输送电力。
[0049]在一个实施例中，发电机17是同步发电机。特别地，发电机可以是可连接到母线13和电动机15的MV同步发电机。在一个实施例中，电动机是感应电动机。在一个实施例中，电动机15是LV感应电动机。MV同步发电机例如可以适用于输送llkV，并且LV感应电机可以具有用于驱动旋转轴15-1的690V输入端子。
[0050]电力后备装置10-1还可包含连接到旋转变换器12的诸如自动电压调节器的电压调节器19。从而，即使当第一内燃机驱动发电机发生故障时或在负载变化期间，旋转变换器12也能够使交替母线电压保持在恒定的幅度水平。
[0051]在电力系统13的正常运行中，电池单元11经由母线13、旋转变换器12和变换器单元9进行充电。替代地，电池单元11可经由其它装置进行充电。此外，在正常操作中，电力后备装置10-1连接到母线13，其中发电机17与第一内燃机驱动发电机Gl共享无功负载。因此，发电机17有助于防止由于电压控制问题而出现的跳闸。
[0052]变换器单元11可包含具有直接转矩控制(DTC)的变频驱动，以便控制转矩，并且从而控制电动机15的旋转速度。
[0053]在出现导致使电力系统处于其第二操作状态的情况下，例如如果第一内燃机驱动发电机Gl跳闸，旋转变换器12无扰地保持电力系统的电压和频率，直到变换器单元9开始输送电力，其中旋转变换器向船I既提供有功功率又提供无功功率。
[0054]在变换器单元9包含变频驱动的一个实施例中，频率控制是通过将速度基准设置为在下垂模式(droop mode)中通常可能出现的最低转速(rpm)值来实现的,该最低转速值通常为96%，在60Hz的电力系统中为57.6Hz。然后，频率一降到该值以下，或者由于发电机跳闸或重负载瞬变现象，变换器单元9就将开始输送电力。需要注意的是，本文所提出的电力系统还可与除60Hz以外的其它频率一起使用。
[0055]对于若干母线可以并行运行的电力系统配置，例如二分裂母线模式中的半潜式钻井平台，可以设想在一些实施例中频率下垂可应用于允许每个母线或母线分裂的变换器单元并行运行的速度基准。频率下垂意味着用于旋转变换器12的速度设置点随着旋转变换器上的负载，通常是有功负载的增加而减少。频率下垂可用于获得在并行运行的发电机之间共享的负载，而无需发电机的共速控制。其中发电机的负载和速度设置点之间的关系是预定的，并且在正常操作中不变化的电力系统被称为固定下垂电力系统。
[0056]在固定下垂电力系统中，可通过仔细选择变换器单元的下垂曲线来获得附加容量。例如，在一个实施例中，变换器单元可以被设计为当发电机上的负载在60%和80%之间时输送其电力，从而获得尖峰负载削峰的形式并且有助于在内燃机驱动发电机上保持充足的功率储备。
[0057]在一个实施例中，在变频驱动上的电动机旋转和制动转矩限制可由可在重写的PLC中运行的电池管理应用来进行控制。PLC应用还可包括用于启动使用电池电源的旋转变换器并使其与电力系统同步的功能。在没有由内燃机施加的约束的情况下，可更自由地选择旋转变换器的额定速度，以便优化其成本、重量和转动惯量(频率动态)。它的低工作周期还将意味着尺寸可以更小，导致进一步减少尺寸和重量。
[0058]在一个替代实施例中，电力系统具有电力后备装置，其包含电池单元、可连接到电池单元的变换器单元、以及可连接到母线的变压器(未示出)。在此实施例中，变换器单元可连接到变压器绕组的一侧，并且母线可连接到变压器绕组的另一侧。变压器例如可以是690V:llkV变压器。从而，低压变换器单元可连接到中压母线。
[0059]在此实施例中，变换器单元设有控制器，该控制器其在第一内燃机驱动发电机突然发生故障的情况下确保保持母线的电压和频率。控制器还被布置为在第一操作状态、第二操作状态以及在第一操作状态和第二操作状态的转变期间确保正确控制由变换器单元输送的有功功率和无功功率。
[0060]在一个实施例中，电池单元9的容量例如可以在25_75kWh的范围中进行选择。由于启动备用内燃机驱动发电机所需的时间较短，因此可以使用相对低容量的电池单元。因此，与低占空比和高电压组合所需的较低能量容量可允许用合理大小的电池来满足峰值功率。
[0061]已经主要参照以上数个实施例描述了本发明的概念。然而，如本领域的技术人员可容易地理解，在如由所附专利权利要求所限定的本发明概念的范围内，除了以上所公开的实施例以外，其它实施例同样是可能的。
【权利要求】
1.一种用于船(I)动力定位的电力系统(3),所述电力系统(3)包含: 第一内燃机驱动发电机(G1)， 第二内燃机驱动发电机(G2 )， 电池单元(11)，以及 变换器单元(9 )，其被布置为从所述电池单元(11)向所述船(I)提供电力， 其中在所述电力系统的第一操作状态中，只有所述第一内燃机驱动发电机(Gl)被布置为向所述船(I)输送电力，并且其中在所述第一内燃机驱动发电机(Gl)遭受故障的第二操作状态中，所述第二内燃机驱动发电机(G2)被布置为向所述船(I)输送电力，并且其中所述变换器单元(9)被布置为在从所述第一操作状态转变到所述第二操作状态期间向所述船(O输送电力。
2.根据权利要求1所述的电力系统(3)，其中所述第一操作状态是所述第一内燃机驱动发电机(Gl)处于正常操作模式的状态。
3.根据权利要求1或2所述的电力系统(3)，包含母线(13)，其中所述第一内燃机驱动发电机(Gl)和所述第二内燃机驱动发电机(G2)可连接到所述母线(13)，并且其中所述变换器单元(9 )可连接到所述母线(13 )和所述电池单元(11)。
4.根据权利要求3所述的电力系统(3)，包含旋转变换器(10)，其中所述变换器单元(9 )经由所述旋转变换器(10 )可连接到所述母线(13)。
5.根据权利要求4所述的电力系统(3)，其中所述旋转变换器(10)包含经由所述旋转变换器(10)的旋转轴(15-1)电耦合的发电机(17)和感应电机(15)。
6.根据权利要求5所述的电力系统(3)，其中所述发电机(17)是MV同步发电机。
7.根据权利要求5或6所述的电力系统(3)，其中所述感应电机(15)是LV感应电机。
8.根据权利要求5至7中的任何一项所述的电力系统(3)，其中所述感应电机(15)可连接到所述变换器单元(9)，并且其中所述发电机(17)可连接到所述母线(13)。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的电力系统(3)，其中所述变换器单元(9)被适配为当电力系统的频率低于预定阈值时向所述船(I)输送电力。
10.根据权利要求5至9中的任何一项所述的电力系统(3)，其中所述变换器单元(9)包含用于控制所述感应电动机(15)的旋转速度的变频驱动。
11.一种分段电力系统(2)，包含至少两个如权利要求1至10中的任何一项所要求的电力系统(3)、以及至少一个母线联络(D)，其中所述至少两个电力系统(3)借助于所述至少一个母线联络(D)可进行连接。
12.—种船(I )，包含根据权利要求11所述的分段电力系统(2)。
【文档编号】B63H23/24GK103687787SQ201180072366
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2011年7月18日 优先权日:2011年7月18日
【发明者】L·肯尼迪 申请人:Abb股份有限公司