JP2011256827A

JP2011256827A - 電源システム

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Publication number: JP2011256827A
Application number: JP2010134034A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Taniguchi; 健谷口
Original assignee: Nishishiba Electric Co Ltd
Current assignee: Nishishiba Electric Co Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合、蓄電池に充電した余剰電力を放電して負荷に電力を供給し、ディーゼル発電機の運転時間を短縮する。
【解決手段】ガスタービン２_-１によって駆動され内燃機関１に圧縮空気を送り込むコンプレッサ２_-２から成るターボチャージャ２によって駆動される発電機４を備えたターボチャージャ発電装置と、発電機４が出力する交流電圧を異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置ＦＣと、内燃機関１とは別の原動機によって駆動される第２の発電装置２０および負荷１０を接続する電源系統１９を備え、蓄電池の残容量が満充電に近い所定値になると発電機を停止させ，蓄電池の残容量が０に近い所定値になると発電機を始動させ、負荷の消費電力よりターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合に蓄電池に余剰電力を充電し、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合に蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給し、第２の発電装置の運転時間を短縮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のターボチャージャにより駆動されて発電するターボチャージャ発電装置を備えた電源システムに関する。

ターボチャージャ発電装置とは、内燃機関の排出する排気ガスを利用してコンプレッサを駆動してもエネルギーに余りがあるので、その余剰エネルギーで発電機を駆動して発電を行うものである。先行技術文献として特許文献１が開示されている。

従来のターボチャージャ発電装置を備えた電源システムについて図８を参照して説明する。
図８において、１は内燃機関であり、２はガスタービン（Ｇ／Ｔと表記）２_−１およびコンプレッサ（Ｃと表記）２_−２とを同一軸上に直結してなるターボチャージャである。このターボチャージャ２の余剰エネルギーによって発電機４を駆動するようにしたものがターボチャージャ発電装置である。

従来のターボチャージャ発電装置では、内燃機関１から排出される排気ガスをガスタービン２_−１を通過させて外部へ放出する。このとき排気ガスの有するエネルギーはガスタービン２_-１によって回転エネルギーに変換され、変換された回転エネルギーによりコンプレッサ２_-２を駆動して内燃機関１内に圧縮空気を送り込む。この動作により内燃機関１への外気の充填効率を高めている。

そして、ガスタービン２_-１の回転エネルギーによってターボチャージャ出力軸３を介して発電機４（以下、永久磁石発電機４という）も駆動され発電する。このようにターボチャージャ２と永久磁石発電機４とが直結されているので、ガスタービン２_-１の回転速度が変動すると、同じように永久磁石発電機４の回転速度も変動し、その結果永久磁石発電機４の出力交流電圧の周波数が変動する。

永久磁石発電機４の出力交流電圧は、周波数変換装置ＦＣによって異なる周波数の交流電圧に変換されて出力される。この周波数変換装置ＦＣは、ダイオードを例えばブリッジ結線して交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ（以下、ダイオードコンバータという）５と、脈流を平滑するコンデンサ６と、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子をブリッジ結線して平滑された直流電圧を所定の周波数、例えば、船内の電源周波数（６０Ｈｚ）の交流電圧に変換するインバータ７とから構成されている。

インバータ７の出力電圧は変圧器８によって船内電源の電圧と一致するように変成され、さらにフィルタ９で高調波成分を除去されたのち船内電源系統１９に供給される。
船内電源系統１９には遮断器２１を介してディーゼル機関によって駆動される発電機（ディーゼル発電機；Ｄ／Ｇと表記）２０も接続されており、ターボチャージャ発電装置およびディーゼル発電機２０によって前記船内電源系統１９に接続されている船内負荷１０に電力を供給することができるようになっている。なお、このディーゼル発電機２０を駆動するディーゼルエンジンは前記ターボチャージャを駆動する内燃機関１とは別の原動機であることは言うまでもない。

ターボチャージャ発電装置の発電可能な電力は、ターボチャージャの回転速度に依存しており、ターボチャージャの回転速度とターボチャージャ発電装置の発電可能な有効電力の関係の一例を図９に示す。
ターボチャージャの回転速度ｎとターボチャージャ発電装置の発電電力Ｐとは、図９の特性で示すようにターボチャージャの回転速度ｎが定格回転速度ｎｓのときは定格電力Ｐｓを出力するが、回転速度ｎが下がるとそれに対応して発電電力Ｐが小さくなるようになっている。

１５はターボチャージャ２の回転速度ｎを検出する回転速度検出器であり、その検出された回転速度ｎは制御回路３０に入力されるようになっている。この制御回路３０は図９の特性に基づいてターボチャージャ発電装置の発電可能な電力を電力指令としてインバータ７に出力する。

図８に示す電源システムは、通常、ターボチャージャ発電装置の発電電力が船内負荷１０の消費電力より少なくなるように設計されており、ターボチャージャ発電装置の発電電力が不足する分の電力はディーゼル発電機２０より供給するようになっている。

特開２００８−２８６０１６号公報

上記のような電源システムにおいて、船内の負荷１０で消費する有効電力が減少したために、船内負荷１０で消費する有効電力よりもターボチャージャ発電装置の発電可能な有効電力が上回る場合は、インバータ７から出力する有効電力を絞り、船内負荷１０で消費する有効電力とターボチャージャ発電装置の出力有効電力とを均衡させる必要がある。

このとき、ターボチャージャ発電装置としては、発電可能な有効電力よりも出力電力を減らして運転するので、出力電力を減らした分だけ、ターボチャージャの余剰エネルギーが利用されないという問題が発生する。

また、ターボチャージャ２の回転速度が低下した場合、発電可能な電力が減少する。船内の負荷１０に安定した電力を供給するためには、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも電力供給ができるように、ディーゼル発電機を常に運転しておかなければならない。そうした場合、ターボチャージャ発電装置の出力電力が大きい時には、ディーゼル発電機２０は低出力で運転するため発電効率が悪化するという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、第１の目的とするところは、船内負荷の変動に拘らずターボチャージャの余剰エネルギーを有効に利用できる電源システムを提供することにある。
また、第２の目的とするところは、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも負荷に電力を供給できるようにし、ディーゼル発電機の運転時間を短縮できるようにすることである。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る電源システムの発明は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第２の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、前記周波数変換装置を、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を直流に変換するＰＷＭコンバータと、前記ＰＷＭコンバータの直流側に接続された蓄電池と、前記ＰＷＭコンバータの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記ＰＷＭコンバータから出力すべき電流の電流指令値を決定する第１の制御手段を設け、前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第１の所定値以上であると判断したとき前記第２の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第２の所定値以下であると判断したとき前記第２の発電装置を始動させる第２の制御手段を設け、前記電源系統に接続される負荷の消費電力よりも前記ターボチャージャ発電装置の発電機が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第２の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給して、前記第２の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る電源システムの発明は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第２の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、前記周波数変換装置を、前記発電機が出力する交流電圧を直流に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータの直流側に接続され、前記ダイオードコンバータの出力する直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパの出力側に接続された蓄電池と、前記昇圧チョッパの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記昇圧チョッパから出力すべき電流の電流指令値を決定する第３の制御手段を設け、前記第３の制御手段から出力された電流指令値と前記昇圧チョッパの出力電流との偏差に基づいて前記昇圧チョッパのスイッチング素子にＰＭＷ信号を出力する第４の制御手段を設け、前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第１の所定値以上であると判断したとき前記第２の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第２の所定値以下であると判断したとき前記第２の発電装置を始動させる第２の制御手段を設け、前記電源系統に接続される負荷で消費する有効電力よりも前記ターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第２の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して負荷に電力を供給して、前記第２の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、負荷で消費する有効電力よりもターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合、インバータの直流回路に接続した蓄電池に余剰電力を蓄えておくことができるので、ターボチャージャの余剰エネルギーを有効に利用することができる。

また、ターボチャージャの回転速度の低下によってターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも、蓄電池に蓄えた余剰電力を利用して負荷に電力を供給することができるので、電力系統に接続されるディーゼル発電機の運転時間を短縮することができる。

本発明の第１の実施形態における電源システムを示す構成図。第１の実施形態における電源システムに使用する制御装置の一例を示す制御ブロック図。第１の実施形態における電源システムの蓄電池の充電特性例を示す図。第１の実施形態における電源システムの電力の挙動を示す図。本発明の第２の実施形態における電源システムを示す構成図。第２の実施形態における電源システムに使用する制御装置の一例を示す制御ブロック図。第２の実施形態における電源システムの昇圧チョッパに使用されるＰＷＭ回路の動作を示す図。従来の電源システムを示す構成図。ターボチャージャの回転速度と発電電力の関係の一例を示す特性図。

以下、本発明を実施するための形態について図を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るターボチャージャ発電装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態の電源システムは図８に示す従来の電源システムに比べて、周波数変換装置ＦＣの主回路構成および制御装置が一部異なる。

本実施形態の周波数変換装置ＦＣの主回路構成の異なる点は、ダイオードコンバータ５をＰＷＭコンバータ２３に置き換えるとともに、そのＰＷＭコンバータ２３の出力端子側に前記コンデンサ６と並列する蓄電池２２を接続し、さらに、ＰＷＭコンバータ２３の出力側にコンバータ出力電流Ｉ_１を検出する電流検出器１１と、インバータ７の直流部に流れる負荷電流Ｉ_２を検出する電流検出器１２と、蓄電池２２の充放電時に流れる電流Ｉ_３を検出する電流検出器１３と、さらに、蓄電池２２の充電電圧Ｖ_ＤＣを検出する電圧検出器１４とをそれぞれ設けるように構成した点である。

また、制御装置の異なる点は、ダイオードコンバータ５とインバータ７とを制御する制御回路３０を、ＰＷＭコンバータ２３を制御する制御回路３１（便宜上、第１の制御手段と呼称する場合がある）と、インバータ７を制御する電圧・周波数設定器２５とに分離するとともに、新たにＳＯＣ検出器３２と制御回路３３とを備えるようにした点である。なお、ＳＯＣ検出器３２と制御回路３３からなる装置を便宜上、第２の制御手段と呼称する場合がある。

ここで、ＳＯＣとは蓄電池２２のState of Charge（充電状態）のことである。その他の構成は図８に示す従来の電源システムと同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１において、制御回路３１は、回転速度検出器１５で検出した回転速度信号ｎと、電圧検出器１４で検出した直流電圧Ｖ_ＤＣと、電流検出器１２で検出した負荷電流Ｉ_２とを入力して演算し、ＰＷＭコンバータ２３の図示しないゲート回路に出力電流指令値Ｉ_１ ^＊を出力するものである。ＰＷＭコンバータ２３の図示しないゲート回路は、出力電流指令値Ｉ_１ ^＊の他に電流検出器１１で検出された出力電流値Ｉ_１を入力することにより主回路の出力電流Ｉ_１が出力電流指令値Ｉ_１ ^＊と一致するよう制御する。一方、インバータ７の図示しないゲート回路は、電圧・周波数設定器２５より電圧および周波数の基準を入力し、主回路出力の出力電圧と出力周波数を一定に制御する。

図２は制御回路３１の制御ブロック図の一例を示す図である。
図２の制御回路３１において、４０は図９の特性を有する関数回路であり、入力信号であるターボチャージャ２の回転速度ｎに対応した永久磁石発電機４として出力可能な電力ＰＧを出力するものである。４１は磁石発電機４の出力電力ＰＧを直流電圧Ｖ_ＤＣで除算し、ＰＷＭコンバータ２３が出力し得る電流値Ｉ_１Ａを出力する除算器である。４２は蓄電池２２の充電目標電圧Ｖ_ＤＣ ^＊と前記直流電圧Ｖ_ＤＣとの差を出力する減算器４２である。４３は減算器４２の出力を比例演算して蓄電池２２への充電電流指令値Ｉ_３ ^＊を出力する比例制御器（Ｐと表記）である。４４は入力した充電電流指令値Ｉ_３ ^＊が予定の充電電流許容値を超えないように制限して指令値Ｉ_３LIMを出力するリミッタ４４である。

４５は蓄電池２２に充電可能な電流すなわち充電電流許容値Ｉ_３LIMと、負荷の消費電流Ｉ_２とを加算して、加算電流Ｉ_１Ｂを出力する加算器である。
４６はＩ_１ＡとＩ_１Ｂのうち、いずれか小さい方をＩ_１ ^＊として出力する最小値選択回路４６である。

図３は蓄電池２２の充電特性の一例を示す図である。
蓄電池２２の充電電流許容値は、一般的には蓄電池２２の「定格容量」と「充電レート」により定められる。蓄電池２２の電圧が低いときには充電電流指令値Ｉ_３ ^＊は大きくなるが、充電電流指令値Ｉ_３ ^＊はリミッタ４４にて前記の充電電流許容値Ｉ_３LIMに制限されて定電流充電される。蓄電池２２の電圧Ｖ_ＤＣが充電目標電圧Ｖ_ＤＣ ^＊に達すると、充電電流Ｉ_３は減少して定電圧充電される。

図１に戻って、ＳＯＣ検出器３２は前記電流検出器１３により検出された蓄電池２２に流れる電流Ｉ_３を入力して蓄電池２２のＳＯＣ（State of Charge；充電状態）信号を出力する。蓄電池２２の容量は電流と時間の積（ＡＨ）で示され、満充電状態を１００％とし放電時は放電電流を積算して減算することでＳＯＣ信号を求めることができる。

制御回路３３は、ＳＯＣ検出器３２から入力したＳＯＣ信号が例えば、蓄電池容量の１／３などといったように、残量が少ない状態に定めた第２の所定値Ｌ_Ｌを下回ったか否かを判定し、ＳＯＣ信号が第２の所定値Ｌ_Ｌを下回ったと判定したときは、ターボチャージャ発電装置（２〜４）の発電電力のみでは船内負荷１０の電力を賄えないので、不足する電力分をディーゼル発電機２０の出力で賄う必要がある。このためディーゼル発電機２０を運転し、その電圧・周波数を船内電源系統１９の電圧・周波数に揃速制御し、位相を同期させた後に遮断器２１を閉じるように動作する。逆に、ＳＯＣ信号が満充電に近い値に定めた第１の所定値Ｌ_Ｈを上回ったときは、ターボチャージャ発電装置（２〜４）の発電電力のみで船内負荷１０の消費電力を賄える状態になっているので、遮断器２１を開き、ディーゼル発電機２０を停止させるように動作する。

このように、ＳＯＣ検出器３２から制御回路３３からなる第２の制御手段の制御に基づいて、ターボチャージャ発電装置（２〜４）の発電電力のみでは不足する分の電力をディーゼル発電機２０の低出力運転で賄うようにしたので、ディーゼル発電機２０の運転時間を最小限に抑えることができ、その分の燃料の節約とメンテナンス費用を削減する効果がある。

次に、図４を参照して本発明のターボチャージャ発電装置の応動を説明する。
図４中（ａ）は永久磁石発電機の発電可能電力を、（ｂ）は永久磁石発電機の発電電力と負荷消費電力の関係を、（ｃ）は蓄電池の充放電電力を、（ｄ）は蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を、そして（ｅ）はディーゼル発電機の発電電力をそれぞれ示す図である。

図４において、始動開始時点ではディーゼル発電機２０は当初は停止しており、また、蓄電池２２も所定値まで充電されておらず、船内負荷１０の消費電力を全てインバータ７から供給するものとする。この条件では、インバータ７の直流部に流れる負荷電流Ｉ_２は船内負荷１０の消費電力によって決まる。

しかもこの時点では永久磁石発電機４の発電可能な電力が船内負荷１０の消費電力より大きく（図４（ｂ））、かつ蓄電池２２のＳＯＣ信号が低く充電可能な電流が十分大きい（Ｉ_１Ａ＜Ｉ_１Ｂ）。このため、図２の最小値選択回路４６は小さい方の電流Ｉ_１Ａを選択してＩ_１ ^＊としてＰＷＭコンバータ２３に出力するので、ＰＷＭコンバータ２３によってターボチャージャ発電装置の余剰電力は蓄電池２２に充電され、ＳＯＣ信号は増加する（期間（ｉ)）。

このことにより、本実施形態では従来のターボチャージャ発電装置では発電電力を絞ったために、有効に利用していなかった余剰電力を蓄えることができる。
そして、蓄電池２２が満充電（１００％）状態に近づくにつれ充電電流Ｉ_３が減少し、Ｉ_１Ａ＞Ｉ_１Ｂになる。すると、ターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機４の発電電力は、船内負荷１０の消費電力と蓄電池２２の充電電力の合計値に制御される（期間(ii)）。

蓄電池２２が満充電（１００％）状態では、蓄電池充電電力は０となるので、ＰＷＭコンバータ２３、インバータ７、変圧器８およびフィルタ９の損失を無視すれば、永久磁石発電機４の発電電力は船内負荷１０の消費電力に等しくなる（期間(iii)）。

この期間(iii)の状態から船速を下げる等の理由で内燃機関１の出力が減少すると、ターボチャージャ２の回転速度ｎも減速するので、ターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機４の発電可能な電力が減少してＩ_１Ａ＜Ｉ_１Ｂとなる。この状態では最小値選択回路４６が小さい方の電流Ｉ_１Ａを選択してＩ_１ ^＊としてＰＷＭコンバータ２３に出力するので、永久磁石発電機４の発電電力は、発電可能な電力で制限される。船内負荷１０の消費電力に対してターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機４の発電電力が不足する分は蓄電池２２より供給され、ＳＯＣ信号は時間の経過とともに徐々に減少する（期間(iv)）。

このような状態が暫く継続して蓄電池２２のＳＯＣ信号がゼロに近い（ゼロ側に設定した）第２の所定値Ｌ_Ｌ以下になったとき、ディーゼル発電機２０を起動して発電し、ディーゼル発電機２０により船内負荷１０に電力を供給する（期間(ｖ)）。船内負荷１０の消費電力が大きく、ディーゼル発電機２０のみで供給できない場合には、ターボチャージャ発電装置とディーゼル発電機２０で電力を供給することになる。ターボチャージャ発電装置とディーゼル発電機２０の発電電力合計値が船内負荷１０の消費電力を上回れば、その余剰分の電力で蓄電池２２は充電され、ＳＯＣ信号は増加する（期間(ｖ)）。
そして、蓄電池２２が満充電（１００％）に近づきＳＯＣ信号が所定値以上になると、ディーゼル発電機２０を停止させる（期間(vi)）。

次に、本実施形態のように蓄電池２２をインバータ７の直流側に設置した構成の意義について以下説明する。
一般的に、蓄電池の直流電力を交流の電力系統に供給するためには、インバータを備えることが必要になる。そのインバータを構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子（図示しない）には、スイッチング素子自身に電流が流れることによる定常損失と、オン・オフによるスイッチング損失が発生するので、蓄電池に充電された電力のうちいくらかはインバータの損失として消費される。スイッチング損失はインバータを運転した場合にインバータに流れる電流が少なくても発生する。本実施形態のようにインバータ７の直流側に蓄電池２２を設置するのではなく、船内電源系統１９に新たに充放電用インバータを設置し、その充放電用インバータに蓄電池を接続する構成も考えられる。しかし、この構成に比べると、本実施形態のように蓄電池２２をインバータ７の直流側に設置し、永久磁石発電機４の出力電力を一旦直流に変換して船内電源周波数の交流に変換するためのインバータ７を利用する方が、全体のインバータの設置台数が少なくて済むので、スイッチング損失の増加を抑制することができるという効果がある。

［第２の実施形態］
図５は本発明の第２の実施形態に係るターボチャージャ発電装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態のターボチャージャ発電装置は図１のターボチャージャ発電装置に比べて、周波数変換装置ＦＣの主回路構成および制御装置が一部異なる。本実施形態の周波数変換装置ＦＣの主回路構成の異なる点は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で構成したＰＷＭコンバータ２３を、ダイオードで構成したダイオードコンバータ５およびそのダイオードコンバータ５の出力端子側に接続された昇圧チョッパ２４とからなる電圧制御装置に置き換えるように構成した点である。

また制御装置の異なる点は、制御回路３１Ａから出力された電流指令値Ｉ_１ ^＊と電流検出器１１の出力電流Ｉ_１とを入力してＰＷＭ信号を出力しスイッチング素子３６のオン／オフを制御するチョッパ制御回路３４を備えた点である。なお、制御回路３１Ａは、図１の制御回路３１と同じ構成であるが、出力信号Ｉ_１ ^＊の送り先がコンバータではなくチョッパに替わっただけであり、便宜上、第３の制御手段とも呼称する場合がある。その他の構成は図１と同一なので、同一構成部分には同一符号を付して重複する説明は適宜省略する。

なお、昇圧チョッパ２４は、ダイオードコンバータ５の＋側端子にリアクトル３５を介して接続されたスイッチング素子３６およびスイッチング素子３６の出力側に接続されたダイオード３７を有している。なお、このスイッチング素子３６は、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子で構成されている。昇圧チョッパ２４はスイッチング素子３６をスイッチングすることによりリアクトルに蓄積されたエネルギーを利用して入力電圧を昇圧するものであるが、これについては周知技術なので詳細な説明は省略することにする。

チョッパ制御回路３４の一例を図６の制御ブロック図に示す。
図６のチョッパ制御回路３４において、５０は制御回路３１Ａからの出力電流指令値Ｉ_１ ^＊と、電流検出器１１からの出力電流値Ｉ_１との偏差を求める減算器である。この減算器５０の偏差は、ＰＩ（比例積分）制御器５１で増幅されたのち、リミッタ５２で所定の範囲内に制限されてＰＷＭ回路５３に入力される。ＰＷＭ回路５３は、図７に示すようにキャリア信号を生成し、キャリア信号とリミッタ５２からの入力信号とを比較することにより、昇圧チョッパ２４のスイッチング素子３６をオン／オフさせるためのＰＷＭ信号を出力する。

前記リミッタ５２は入力信号がキャリア信号の上限および下限を超えないように制限し、ＰＷＭ信号が確実に出力されるようにするものである。この結果、昇圧チョッパ２４からは昇圧された直流電圧が出力される。チョッパ制御回路３４で昇圧チョッパ２４の出力電圧を調節することにより、結果として昇圧チョッパ２４から出力される電流を制御することができるので、第１の実施形態と同様に出力電流値Ｉ_１を制御することになり、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、ダイオードコンバータ５の出力電圧を昇圧チョッパ２４により昇圧して調整するように構成しているが、「昇圧チョッパ」２４を「昇降圧チョッパ」に置き換えても実現できることはいうまでもない。この昇降圧チョッパも周知技術なので詳細な説明は省略する。

［変形例］
以上説明した発電システムでは、高速で回転するターボチャージャ２に発電機４を直結するために発電機４として高速回転時の遠心力に耐える永久磁石ロータを備えた所謂永久磁石発電機を採用したが、永久磁石ロータに替わる高速回転時の遠心力に耐えられるロータがあれば、発電機を永久磁石発電機に限定する必要はない。
また、以上説明した発電システムは、必ずしも船舶用電源システムに限られるものではなく、陸上用電源システムにも適用できるものである。したがって、負荷１０は船内負荷に限定されるものではない。

１…内燃機関、２…ターボチャージャ、２₋₁…ガスタービン、２₋₂…コンプレッサ、３…ターボチャージャ出力軸、４…発電機（永久磁石発電機）、５…ダイオードコンバータ、６…コンデンサ、７…インバータ、８…変圧器、９…フィルタ、１０…負荷、１１,１２,１３…電流検出器、１４…電圧検出器、１５…回転速度検出器、１９…船内電源系統、２０…ディーゼル発電機、２１…遮断器、２２…蓄電池、２３…ＰＷＭコンバータ、２４…昇圧チョッパ、２５…電圧・周波数設定器、３０,３１,３１Ａ,３３,３４…制御回路、３２…ＳＯＣ検出器、３５…リアクトル、３６…スイッチング素子、３７…ダイオード、４０…関数回路、４１…除算器、４２,５０…減算器、４３…比例制御器、４４,５２…リミッタ、４５…加算器、４６…最小値選択回路、５１…ＰＩ制御器、５３…ＰＷＭ回路、ＦＣ… 周波数変換装置。

Claims

内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第２の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、
前記周波数変換装置を、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を直流に変換するＰＷＭコンバータと、前記ＰＷＭコンバータの直流側に接続された蓄電池と、前記ＰＷＭコンバータの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、
前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記ＰＷＭコンバータから出力すべき電流の電流指令値を決定する第１の制御手段を設け、
前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第１の所定値以上であると判断したとき前記第２の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第２の所定値以下であると判断したとき前記第２の発電装置を始動させる第２の制御手段を設け、
前記電源系統に接続される負荷の消費電力よりも前記ターボチャージャ発電装置の発電機が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第２の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給して、前記第２の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする電源システム。
内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第２の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、
前記周波数変換装置を、前記発電機が出力する交流電圧を直流に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータの直流側に接続され、前記ダイオードコンバータの出力する直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパの出力側に接続された蓄電池と、前記昇圧チョッパの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、
前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記昇圧チョッパから出力すべき電流の電流指令値を決定する第３の制御手段を設け、
前記第３の制御手段から出力された電流指令値と前記昇圧チョッパの出力電流との偏差に基づいて前記昇圧チョッパのスイッチング素子にＰＭＷ信号を出力する第４の制御手段を設け、
前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第１の所定値以上であると判断したとき前記第２の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第２の所定値以下であると判断したとき前記第２の発電装置を始動させる第２の制御手段を設け、
前記電源系統に接続される負荷で消費する有効電力よりも前記ターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第２の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して負荷に電力を供給して、前記第２の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする電源システム。
前記昇圧チョッパの代わりに昇降圧チョッパを備えたことを特徴とする請求項２記載の電源システム