JP2007237992A - 船舶用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】瞬時負荷変動と間欠的な無負荷状態とが存在する負荷装置に対して、瞬時負荷変動による電圧降下の影響のない安定かつ効率の高い電力を供給する電源システムを提供する。
【解決手段】複数の負荷９，６０，６１には、瞬時変動および間欠的な無負荷状態が存在する変動負荷６０，６１を含み、母線は、一部の発電機２２，２３が発電する交流電力を前記インバータ７に供給する交流母線５と、他の発電機２０，２１が発電する交流電力を前記変動負荷６０，６１に供給する他の母線４４とから構成され、前記他の母線に接続される発電機２０，２１の出力と、前記交流母線５との間を接続するスイッチ２，３を備え、前記変動負荷６０，６１の瞬時変動の繰り返しが継続的に生じるときに前記スイッチ２，３を開放状態にし、前記変動負荷が継続的に無負荷状態であるときに前記スイッチ２，３を短絡状態にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発電機の出力を母線を介して電動機を駆動するインバータと負荷とに供給する船舶用電源システムに関する。

従来の船舶用電源システムは、冗長性の回避、発電機のメインテナンス時の利便性から負荷装置に適合した一定容量の発電機を複数台設置し、その出力を共通の船舶内母線に接続していた。さらに、負荷装置の容量に応じて、適宜発電機を並列運転することにより、必要な電力を負荷に供給していた。
例えば、特許文献１に開示されている技術は、複数の一般負荷と複数の主機に各々接続された複数の発電機とが一般電源母線に接続されている。また、この技術は、推進用電動機を駆動するインバータに接続された電源推進母線（交流母線）と、一般負荷に接続された一般電源母線との間に遮断器および電力変換装置を直列に接続している。これにより、推進用電動機の急速逆転時（回生運転時）に発生するバックパワーを電力変換装置を介して一般負荷に供給している。
特開平７−３１５２９３号公報 （図１）

従来の船舶用電源システムに、瞬時負荷変動を伴う大容量負荷あるいは間欠的に無負荷状態が存在する負荷を接続する必要がある場合がある。この場合、船舶用一般負荷装置と瞬時負荷変動を伴う大容量負荷あるいは間欠的に無負荷状態が存在する負荷装置が共通の交流母線で接続されることになる。このとき、負荷変動の大きい負荷装置が接続されると、並列接続された発電機の運転バランスが崩れて安定した電力供給が困難となることがある。

なお、特許文献１の技術は、推進用電動機の急速逆転時に遮断器を投入して電力変換装置を介してバックパワーを一般負荷に供給するものである。このため、通常時は遮断器を開放状態にしていることから、推進用電動機に電力を供給する発電機は一般用負荷に電力を供給することを前提にしていない。

そこで、本発明は、瞬時負荷変動と間欠的な無負荷状態とが存在する負荷装置に対して、瞬時負荷変動による電圧降下の影響のない安定かつ効率の高い電力を供給する電源システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の船舶用電源システムは、複数の発電機が発電する交流電力を共通の母線を介して、電動機を駆動するインバータと複数の負荷とに供給する船舶用電源システムであって、前記複数の負荷には、瞬時変動と間欠的な無負荷状態とが存在する変動負荷を含み、前記母線は、前記複数の発電機の一部の発電機が発電する交流電力を前記インバータに供給する交流母線と、他の発電機が発電する交流電力を前記変動負荷に供給する他の母線とから構成され、前記他の母線に接続される発電機の出力と、前記交流母線との間を接続するスイッチを備え、前記変動負荷の瞬時変動の繰り返しが継続的に生じるときに前記スイッチを開放状態にし、前記変動負荷が継続的に無負荷状態であるときに前記スイッチを短絡状態にする。

本発明は、瞬時負荷変動と間欠的な無負荷状態とが存在する負荷装置に対して、瞬時負荷変動による電圧降下の影響のない安定かつ効率の高い電力を供給する電源システムを提供することができる。

（発明の概要）
発明の概要について図１を参照して説明する。
複数の主機１０，１１および発電機２０，２１が直流母線４４を介して変動負荷６０，６１に電力を供給している。また、主機１２，１３および発電機２２，２３が船舶内母線５を介して補機モータ８および船内一般負荷９に電力を供給している。また、発電機２０，２１と船舶内母線５との間にはスイッチ２，３が設けられている。

ここで、変動負荷６０，６１が継続的に無負荷状態であるときに、スイッチ２，３を短絡することにより、発電機２０，２１の発電電力、および、発電機２２，２３の発電電力が補機モータ８あるいは船内一般負荷９に供給される。ここで、変動負荷６０，６１の瞬時負荷電流が大きく、間欠的に無負荷状態が生じる場合には、スイッチ２，３を開放して、発電機２０，２１の発電電力のすべてが変動負荷６０，６１に供給される。これにより、変動負荷６０，６１の瞬時負荷電流の影響が補機モータ８や船内一般負荷９に影響しない。

また、発電機２０，２１と直流母線４４との間に電力変換器４１，４２が挿入されても、スイッチ２，３を開放することにより、電力変換器４１，４２が発生するノイズが補機モータ８や船内一般負荷９に影響することは少ない。スイッチ２，３が短絡状態であっても、電力変換器４１，４２の駆動周波数は、補機モータ８に同期されて駆動するインバータ７の駆動周波数よりも高いので、補機モータ８や船内一般負荷９へのノイズの影響は低減する。

また、発電機２０，２１、あるいは、発電機２２，２３を並列運転することにより、負荷電力の大きさに応じて、適宜、発電機を休止させることができる。これにより、冗長性を回避することができ、発電機２０，２１，２２，２３のメインテナンスが容易となる。

（第１実施形態）
再び図１を参照して、本発明の一実施形態である船舶用電源システムの詳細を説明する。
船舶用電源システム１は、大型の船舶内に備えられ、複数の主機１０，１１，１２，１３に各々機械的に接続された発電機２０，２１，２２，２３と、発電機２０，２１の出力に各々接続され、交流電圧ＶＡＣを直流電圧ＶＤＣに変換する電力変換器４１，４２と、電力変換器４１，４２の直流出力が並列して接続されている直流母線（他の母線）４４と、直流母線４４に接続され、瞬時負荷変動が大きい変動負荷６０，６１に電流を供給する電流源５０，５１と、発電機２２，２３の出力が共通に接続される船舶内母線５と、船舶内母線（交流母線）５に接続され、補機モータ８を駆動するインバータ（ＩＮＶ）７と、発電機２２，２３を同期させる同期装置１５と、発電機２０，２１の出力と船舶内母線５との間に各々挿入されているスイッチ２，３と、を備えている。ここで、スイッチ２，３が短絡しているときには、同期装置１５は発電機２０，２１も同期させる。なお、船内一般負荷９は、船舶内母線５に接続されている。

ここで、主機１０，１１，１２，１３は、エンジンであり、発電機２０，２１，２２，２３の出力容量に対応した回転出力を有している。ここで、主機１０，１１，１２，１３、および、発電機２０，２１，２２，２３は、変動負荷６０，６１、補機モータ８、および、船内一般負荷９の出力容量に対応しており、冗長性を回避している。例えば、船舶内に４台の発電機を搭載する場合には、通常の運用時には、最大３台の発電機を並列運転して、負荷に電力を供給することとし、残りの１台は、予備機として常に待機状態とすることで、万一１台の発電機が故障した場合においても、負荷への電力供給が可能な発電機台数としている。また、主機１０，１１，１２，１３および発電機２０，２１，２２，２３のメインテナンス等を容易にしている。

変動負荷６０，６１は、瞬時負荷変動が大きく、間欠的に無負荷状態が存在するような大容量負荷である。

電力変換器４１，４２は、交流電圧ＶＡＣを直流電圧ＶＤＣに変換するＡＣ／ＤＣ変換器であり、出力電圧は最大電圧３００Ｖの高電圧である。電力変換器４１，４２は、互いに出力電圧を一致させるように制御を行い、直流母線４４に並列接続させる。また、電力変換器４１，４２は、発電機２０，２１と絶縁を保つための絶縁機能を有する。さらに、電力変換器４１，４２は、異なる電圧や周波数の発電機２０，２１を電力変換器４１，４２の出力側で並列出力させている。

直流電流源５０，５１は、変動負荷６０，６１に電流を流すためのものである。また、並列運転される発電機を駆動する主機が持つ速度制御方式の特性の違いにより、並列運転バランスが崩れて発電機が停止することが少なくなる。これにより、安定した電力供給が困難となる問題が回避される。また、主機１０，１１、発電機２０，２１、電力変換器４１，４２を２セット設けることにより、何れか一方の変動負荷６０，６１の負荷変動が大きくなった場合でも、主機１０，１１、発電機２０，２１、電力変換器４１，４２の各々が互いに補うように機能する。

このため、瞬時負荷変動を伴う大容量負荷、あるいは、間欠的な無負荷状態が存在する負荷装置に対して電力供給が必要な場合には、専用の発電機あるいは交流電源から直流電源に変換する専用の電力変換機を設置して電力供給を行う必要があるが、このような負荷装置の大容量化に対して専用の大容量発電機ならびに専用の大容量変換機を船舶内に搭載することは、近年電気設備の増加傾向から設置スペースを確保するのは困難な状況にある。負荷容量合計が主機１０、発電機２０の組合せで発生しうる発電電力でまかなう事ができないことから、複数の主機と発電機の組合せが必要となる。船舶に搭載する関係上、変動負荷６０，６１に見合った専用の主機と発電機を設置することは、設置スペースの関係から難しい状況である。また、船内一般負荷９は、照明、船舶制御装置、ポンプ等の一般的な負荷である。

次に、本実施形態の動作を説明する。
通常時、船舶用電源システム１は、主機１０，１１から発電機２０，２１、スイッチ２，３を経て船舶内母線５に電力が供給され、または、電力変換器４１，４２に交流電圧ＶＡＣが印加される。ここで、変動負荷６０，６１が無負荷状態であるときは、主機１０，１１，１２，１３と発電機２０，２１，２２，２３とを適宜並列運転し、船舶内母線５を介してインバータ７、補機モータ８、あるいは、船内一般負荷９に電力が供給される。

一方、瞬時負荷変動が伴う大容量負荷、あるいは、間欠的に無負荷状態が存在する変動負荷６０，６１へ電力を供給する際は、スイッチ２，３を開放する。これにより、発電機２０，２１が発電した電力は電力変換器４１，４２のみに供給され、インバータ７および船内一般負荷９は、発電機２２，２３によって電力が供給される。

ここで、図２を参照して、瞬時負荷変動を伴う変動負荷６０，６１、あるいは、間欠的に無負荷状態が存在する負荷の負荷パターンについて説明する。この図は、横軸が時間ｔ（ｓ）であり、縦軸が発電機出力（Ｋｗ）であり、主機および発電機がそれぞれ３台の場合について記載されている。この負荷パターンは、変動負荷６０，６１の無負荷状態から発電機３台分の合計出力Ｐ３まで急峻な勾配で増加し、所定時間経過後に無負荷状態に遷移する矩形波パターンであり、この矩形波パターンが一定間隔で繰り返される。ここで、変動負荷６０，６１の負荷容量によっては、発電機を２台分の合計出力Ｐ２、あるいは、発電機１台分の出力Ｐ１となる場合がある。

電力変換器４１，４２に交流電圧ＶＡＣが供給されると、交流電圧ＶＡＣを直流電圧ＶＤＣに変換する電力変換器４１，４２から直流電源（電流源５０，５１）に電力が供給される。直流電源（電流源５０，５１）は、変動負荷６０，６１に電力を供給する。

また、負荷が船内一般負荷９のみの場合、スイッチ２，３を船舶内母線側に切り替えることにより、船舶内母線５を経由してインバータ７、補機モータ８、船内一般負荷９へ電力が共有される。

以上説明したように、本実施形態によれば、負荷の特性に応じて、電力を供給する母線を切り替えることで、発電機出力側で並列接続していたときに発電機の特性の違いにより発生する無効電力が無くなる。ここで、無効電力とは、船舶内に搭載される主機（ディーゼルエンジン）は、一般的に低負荷帯（無負荷時）においては、エンジン特性から回転速度の安定性が悪く、複数の発電機を並列運転した場合、回転速度差（位相差）、電圧差により各発電機に流れることがある無効電力をいう。

また、負荷に応じて、別々の母線（直流母線４４、船舶内母線５）から瞬時負荷変動を伴う大容量負荷、あるいは、間欠的に無負荷状態が存在する変動負荷６０，６１に発電機２０，２１，２２，２３の出力を供給することにより、一般負荷用の発電機２２，２３が止まることなく、安定した電力供給が可能になる。

また、発電機２０，２１と直流母線４４との間に電力変換器４１，４２を挿入し、発電機２０，２１、および、電力変換器４１，４２を各々並列接続することによって、発電機２０，２１の特性に関係なく運転が可能である。

さらに、電力変換器４１，４２の出力側で並列接続することによって、船舶用電源システムの出力効率が向上する。なぜならば、発電機２０，２１の出力側で並列接続していたときに発電機２０，２１の特性の違いにより発生する、発電機２０，２１の無効電力が減少するからである。これについては、並列運転される発電機２０，２１の数を増加する方法があるが、大容量負荷に直流電源を供給するための電力変換器４１，４２で発生する高調波ノイズが、船舶内母線を介して他の一般負荷に影響を与え、誤動作などの問題が発生する。また、間欠的に無負荷状態となる負荷装置であることから、無負荷時に発電機２０，２１の出力に無効電力が発生し、船舶用電源システム全体の効率低下を招くこととなる。

また、瞬時負荷変動による電圧降下、電力変換器４１，４２からの高調波ノイズの影響を少なくすることが可能となる。その理由は、２つの母線（直流母線４４、船舶内母線５）を設けて系統を分離することと母線を切り替えるスイッチによって、船内一般負荷９と瞬時負荷変動を伴う大容量負荷、あるいは、間欠的に無負荷状態が存在する負荷とを電気的に分離することができるからである。なお、スイッチ２，３が短絡していても、電力変換器４１，４２の駆動周波数は、補機モータ８に同期するインバータ７の駆動周波数よりも一般的に高いからである。

（参考例）
ここで、船舶用電源システムの参考例を図３を参照して説明する。
船舶用電源システム４は、発電機２０，２１，２２，２３が共通の船舶内母線５’に接続され、船舶内母線５’は、電力変換器４１，４２を介して接続される変動負荷６０，６１と、インバータ７を介して接続される補機モータ８と、船内一般負荷９に交流電力を供給する。また、発電機２０，２１，２２，２３は、同期装置１５を用いて同期運転される。なお、主機１０，１１，１２，１３、および、発電機２０，２１，２２，２３は、前記実施形態と同様に、変動負荷６０，６１、補機モータ８、および、船内一般負荷９の電力容量に対応している。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態は、フラッシュランプの発光等の瞬時電力が大きなものであれば構わない。
（２）前記実施形態は、変動負荷６０，６１の無負荷状態では、スイッチ２，３を用いて発電機２０，２１の出力電力を、変動負荷６０，６１のみならず、船舶内母線５を介してインバータ７および補機モータ８に供給したが、電力変換器４１，４２あるいは船舶内母線５に切り替える切替えスイッチを設けて、変動負荷６０，６１への電力供給を遮断して、船舶内母線５のみに電力を供給することができる。

本発明の一実施形態である船舶用電源システムの構成図である。 瞬時負荷変動を伴う発電機出力を示す図である。 船舶用電源システムの参考例である。

符号の説明

１，４ 船舶用電源システム
２，３ スイッチ
５ 船舶内母線（交流母線）
７ インバータ
８ 補機モータ
９ 船内一般負荷
１０，１１，１２，１３ 主機
１５ 同期装置
２０，２１，２２，２３ 発電機
４１，４２ 電力変換器
４４ 直流母線（他の母線）
５０，５１ 電流源
６０，６１ 変動負荷

Claims (5)

1. 複数の発電機が発電する交流電力を共通の母線を介して、電動機を駆動するインバータと複数の負荷とに供給する船舶用電源システムであって、
   前記複数の負荷には、瞬時変動と間欠的な無負荷状態とが存在する変動負荷を含み、
   前記母線は、前記複数の発電機の一部の発電機が発電する交流電力を前記インバータに供給する交流母線と、他の発電機が発電する交流電力を前記変動負荷に供給する他の母線とから構成され、
   前記他の母線に接続される発電機の出力と、前記交流母線との間を接続するスイッチを備え、
   前記変動負荷の瞬時変動の繰り返しが継続的に生じるときに前記スイッチが開放状態にされ、前記変動負荷が継続的に無負荷状態であるときに前記スイッチが短絡状態にされる
   ことを特徴とする船舶用電源システム。
2. 前記他の母線と前記発電機との間に接続され、前記交流電力を直流電力に変換する電力変換器を備えることを特徴とする請求項１に記載の船舶用電源システム。
3. 前記インバータの駆動周波数は、前記電力変換器の駆動周波数よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の船舶用電源システム。
4. 前記交流母線に一般負荷が接続され、
   少なくとも前記スイッチが開放しているときは、前記他の母線に接続される発電機と、前記交流母線に接続される発電機とは非同期的に駆動されることを特徴とする請求項１に記載の船舶用電源システム。
5. 前記他の母線に接続される前記発電機は、非同期的に駆動する複数の発電機である
   ことを特徴とする請求項１に記載の船舶用電源システム。

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