JP2012514962A - 船に電力を伝達するシステムおよび装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、岸壁のそれぞれの停泊位置（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）にそれぞれ係留された船舶に、ＡＣ電源（ＡＣ−ＰＳ−１）から電力を供給するシステムであって、ＡＣ側およびＤＣ側を有し、ＡＣ電源からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換する整流器（５）であり、ＡＣ側が、ＡＣ電源に接続されるように配置された整流器（５）と、それぞれの船舶に電力を供給する複数の船舶接続配置であり、それぞれが、停泊位置のうちの１つの停泊位置に置かれており、それぞれが、第１の周波数または第２の周波数のＡＣ電力を出力するように構成可能なインバータ（１１、１２、１３、１４）および船舶を接続するための船舶コネクタを備える複数の船舶接続配置とを備えるシステムに関する。このシステムはさらに、整流器のＤＣ側に接続されたＤＣ配電網（９）を備え、整流器は、岸壁からある距離のところに置かれ、インバータはそれぞれＤＣ配電網に接続される。

Description

本発明は、港湾の岸壁の停泊位置に係留された入港船舶にＡＣ電力網から電力を供給するシステムに関する。

フェリーボートに給電するために岸辺給電（ｓｈｏｒｅ−ｓｉｄｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）が使用されている。多くのフェリーボートは一般に同じ岸壁の同じ位置に着岸するため、適当な接続を実施することは容易である。今日では、世界中の港で、巡航船、コンテナ船、ローロー船などの他のいくつかのタイプの商船が電気グリッドに接続されている。

航海中は、船舶が必要とする電力を生み出すために、推進機関に結合された主発電機と補助機関とによって、船上発電が提供される。岸壁に停泊した後は、主機関（１基または数基）は通常停止され、宿泊施設としての業務、荷揚げおよび荷積み作業のための船内の全ての発電は、補助発電機が制御する。この補助機関は現在、安価な低品質の燃料で動いており、このことは結果として環境に負の影響を与える。したがって、岸辺給電が推奨される。さらに、補助発電機が運転を停止した場合には、船舶が岸壁に停泊している間、外部給電が必要となる。

岸辺から船舶へ給電することの問題点は、国によって異なる周波数のＡＣ送電が使用され、例えば米国では６０Ｈｚ、ヨーロッパ諸国では５０ＨｚのＡＣ送電が使用され、船舶は国をまたいで航行することである。船舶は普通、その船舶の機器に対して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのシステムを使用し、また、数百ｋＷから大型巡航船の１２〜１５ＭＷまでの範囲をとることがある異なる量の電力を必要とする。船のタイプによっては、船、例えば最新の巡航船に対して６〜１１ｋＶの高い接続電圧が必要となることがある。

ＡＣ給電を、選択された周波数および電力レベルに変換するためには、岸壁のそれぞれの停泊位置に、一群の機器、例えば整流器、インバータおよび変圧器を設置しなければならず、このことは、給電を変換するための面積／空間をかなり要求し、さらに、結果として停泊位置における活動を妨害する。例えば、停泊位置にコンテナ船が係留されているときには、しばしばクレーンが、荷積み、荷揚げ作業のために停泊位置の全長にわたって移動し、このことが、係留された船舶への電気接続の柔軟性を大幅に制限する。

本発明の目的は、岸壁の停泊位置に係留された船舶にＡＣ電源から電力を供給する柔軟な給電システムを提供することにあり、このシステムは、岸壁における空間制約に合わせて調整される。

この目的は、請求項１に定義されたシステムによって達成される。

該システムは、ＡＣ側およびＤＣ側を有し、ＡＣ電源からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換する整流器であり、ＡＣ側が、ＡＣ電源に接続されるように配置された整流器と、それぞれの船舶に電力を供給する複数の船舶接続配置であり、それぞれが、停泊位置のうちの１つの停泊位置に置かれており、それぞれが、第１の周波数または第２の周波数のＡＣ電力を出力するように構成可能なインバータおよび船舶を接続するための船舶コネクタを備える複数の船舶接続配置とを備える。このシステムはさらに、整流器のＤＣ側に接続されたＤＣ配電網を備え、整流器は、岸壁からある距離のところに置かれており、インバータはそれぞれＤＣ配電網に接続されている。

本発明のシステムのレイアウトは、それぞれの停船位置において比較的に小さな空間を必要とする。岸壁の停船位置ごとに整流器を配置する必要はなく、中央位置、例えば主船積みエリアの外側に整流器を置くことができる。このことは、かなりの量の機器がどこか別のところに配置され、使用可能なより多くの空間がある端子から遠く離れた位置に、かなりの量の機器を配置することができることを意味する。岸壁の停船エリアからある距離を置いた中央位置に整流器が配置され、それぞれの停船位置へ電力を配電するようにＤＣ配電網が適合されることにより、本発明は、空間の制約のため機器を追加することが制限された岸壁において船舶に給電する際の柔軟性の課題を解決する。したがって、コンテナからの貨物の荷積み、荷捌きおよび荷揚げが妨げられない。

各船接続配置にインバータが配置されることにより、このシステムは、選択可能な周波数を船舶に提供することを可能にする。

本発明によれば、変換されたＤＣ電力を停船位置へ配電するために、多端子ＤＣ配電網が配置される。本発明は、異なる電圧および電力性能を有するいくつかのＡＣ電源を、それぞれの整流器を介してＤＣ配電システムに接続することを可能にするシステムを提供する。例えば、主電力グリッドに加えて、局地風力電源を、第２の整流器を介してＤＣ配電網に接続することができる。このようにすると、システムのモジュラリティ（ｍｏｄｕｌａｒｉｔｙ）が達成される。

本発明の一実施形態によれば、効率的な配電を達成するため、ＤＣ配電網が、１ｋＶよりも高い電圧レベルの電力を配電するように適合される。高電圧ＤＣ配電の利点は、電力損が低減することである。高電圧接続にすると、同じ量の電力をより少ない本数のケーブルで配電することができ、このことは、接続プロセス中のそれをより容易にする。例えば、高電圧ケーブルは、同じ寸法の標準４００ボルトケーブルの２５倍の電力を伝達することを可能にする。したがって、効率的な配電が達成される。ＤＣグリッドさらに、電磁場のない環境を可能にする。

ＤＣ配電網はさらに、ケーブルと、整流器（１つまたは複数）およびインバータへのケーブル接続と、ＤＣ回路遮断器またはＤＣ回路スイッチとを含むＤＣ配電グリッドを備える。このＤＣ配電グリッドの利点は、ケーブル損失をさらに低減させることが可能なことである。しかしながら、ＤＣ電力を配電するのに単純なＤＣ母線が適用可能であることもある。

本発明の一実施形態によれば、整流器が、一方向または双方向整流器である。双方向整流器の利点は、所望の力率を達成するために、主電力グリッドの要件に合わせて無効電力を調整することができることである。

船舶に対する標準電圧レベルは存在しないため、船舶接続配置はそれぞれ、船舶接続配置の船舶コネクタとそれぞれのインバータとの間に配置された変圧器を備える。この変圧器は、少なくとも２つの電圧レベルの出力、例えば６ｋＶと１１ｋＶの出力を提供するように構成可能である。このようにすると、各岸壁停船位置において、周波数と電圧レベルの両方を独立に選択することができ、その結果、それぞれの船舶に適当な電力を供給することができる。

各停船位置に配置された各船接続配置に変圧器を配置することが有利なのは、そうすることで、停船位置までの配電網における電圧をよりいっそう高くすることができ、したがって電力損がさらに低減されるためである。

本発明の一実施形態によれば、それぞれの船舶接続配置がさらに、それぞれのインバータを制御するコントローラを備える。コントローラはそれぞれ、それぞれの船舶の電力要件を受け取る手段と、それぞれの船舶の電力要件に従って、それぞれの船舶に電力を供給するように、それぞれのインバータを制御する手段とを備える。この電力要件は、船舶が必要とする電圧レベルおよび／または船舶に搭載された電気機器の周波数値を含むことを理解されたい。

本発明の一実施形態によれば、ＤＣ配電網に、インタフェースを介して蓄電装置が接続される。このインタフェースは、ＤＣ配電網への蓄電装置の接続および蓄電装置の開放を可能にする。

本発明の一実施形態によれば、このシステムがさらに、第２のＡＣ電源に接続された第２の整流器と、マスタコントローラとを備え、このマスタコントローラが、それぞれの船舶の電力要件を受け取る入力手段と、それぞれのＡＣ電源の使用可能な給電量を受け取る入力手段と、船舶の電力要件を平衡させるために必要なそれぞれの整流器からの有効電力を決定し、電力潮流を協調させ、ＡＣ電源に接続された整流器およびインバータに対する一組の基準値を、決定された必要な有効電力および１つまたは複数の最適化基準に基づいて決定する電力潮流管理機構と、有効電力および無効電力に対する前記一組の基準値をＡＣ電源およびインバータに伝達する出力手段とを備える。

ＤＣ配電網に蓄電装置が接続される場合には、マスタコントローラがインタフェースに動作可能に接続され、蓄電装置が余剰電力を蓄積し、船舶に供給するために電力が必要となったときに送達するよう、インタフェースを制御するように適合されることが好ましい。

次に、本発明のさまざまな実施形態を説明し、添付図面を参照することによって、本発明をより詳細に説明する。

本発明の一実施形態に基づくシステムの一構成を示す図であり、この構成では、整流器がＡＣ電源に接続され、岸壁からある距離を置いたある中央位置に置かれ、ＤＣ配電グリッドが、変換されたＤＣ電力を岸壁の停泊位置へ送電するように接続され、いくつかの船舶接続配置が、船舶の電力要件に従ってＤＣ電力を変換するように適合される。 本発明の他の実施形態に基づくシステムの他の構成を示す図であり、この構成では、ＤＣ母線を使用して、変換されたＤＣ電力を岸壁の停泊位置へ送電する。 本発明の第３の実施形態に基づくシステムの第３の構成を示す図であり、この構成では、図１に示した各船舶接続配置がさらにコントローラを備える。 本発明の他の実施形態に基づくシステムの第４の構成を示す図であり、この構成では、システムがさらに、別の３つのＡＣ電源に接続された３つの整流器と、電力潮流を協調させるように適合されたマスタコントローラとを備える。

図１は、ＡＣ電源、ＡＣ側およびＤＣ側を有する整流器１、ＤＣ配電網９ならびに４組の船舶接続配置を備えるシステムの第１の構成を示す。

この例では、ＡＣ電源が、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの主電力グリッドである。整流器１はグリッド接続を備え、グリッド接続はさらに、入力側が主電力グリッドに接続された変圧器５を備える。整流器１のＡＣ側は変圧器５の出力側に接続される。これらの変圧器および整流器は一体として、グリッド接続に供給された電力をあるＤＣ電圧レベルへ効率的に変圧および整流するように選択され、このＤＣ電圧レベルは、送電中の電力損を低減させるため１ｋＶよりも高いことが好ましい。変換されたＤＣ電力を船舶へ送達するため、整流器のＤＣ側は、ＤＣ配電グリッド９として例示されたＤＣ配電網に接続される。ＤＣ配電グリッド９は、この図では符号が付けられていないＤＣ母線、ケーブル、ならびにＤＣ遮断器および／またはＤＣスイッチなどのスイッチング装置を含む。このスイッチング装置は、故障の場合に負荷を開放し、かつ／または負荷を分離することにより、ＤＣグリッドを保護するように適合される。

停泊エリアでは、岸壁の各停泊位置Ａ〜Ｄに４組の船舶接続配置が提供され、これらの船舶接続配置はそれぞれ、インバータ１１〜１４、変圧器１７〜２０および図示されていない船舶コネクタを含む。インバータはそれぞれ、選択可能な周波数、例えば５０または６０Ｈｚの電力を船舶へ送達するように適合され、変圧器１７〜２０はそれぞれ、その船舶接続配置に接続された船舶に適した電圧レベルに変圧するように寸法が決められ、選択された周波数を変圧するのに適した選ばれたタイプを有する。このような電圧レベルは５〜２５ｋＶである。この実施形態では、グリッド間のガルヴァニック分離（ｇａｌｖａｎｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を形成するため、変圧器１７〜２０がそれぞれ、岸の電気グリッドと船舶の電気システムとの間の最後のリンクとして配置される。このような配置にすると、故障電流および船上の潜在的故障を低減させることが可能となり、船は、接続された近くの船に対して影響を及ぼさず、その結果、故障の伝搬が防止される。

図３に示すように、周波数、電圧レベルなどの電力要件を船舶から受け取り、この電力要件に従って電力を供給するようにインバータを制御するローカルコントローラ２１〜２４を、それぞれのインバータに対して配置することができる。

図２に示すように、ＤＣ配電網を、岸壁の停泊エリアまでＤＣ電力を伝達するＤＣ母線とすることができる。

図４には、図１に示した実施形態の拡張である第４の構成が示されている。この構成では、異なる電圧レベルおよび異なる電力容量を有するいくつかのＡＣ電源（ＡＣ−ＰＳ−１、ＡＣ−ＰＳ−２、ＡＣ−ＰＳ−３、ＡＣ−ＰＳ−４）に接続するために、いくつかのグリッド接続がシステムによって提供される。この例では、それらのグリッド接続がそれぞれ、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する整流器および変圧器を含む。ＡＣ電源は互いから切り離され、さらに負荷から切り離されている。この例では、システムがさらに、マスタコントローラ１０と、インタフェース１６を介してＤＣ配電グリッド９に接続された蓄電装置１５とを備える。

図示のとおり、マスタコントローラ１０は、変圧器１〜４のＡＣ電源接続点、整流器５〜８およびインバータ１１〜１４に動作可能に接続される。マスタコントローラ１０はさらに、蓄電池として例示される蓄電装置１５のインタフェース１６に動作可能に接続される。マスタコントローラ１０は、蓄電装置インタフェース１６、ＡＣグリッド接続配置１〜８、および船舶にＡＣ電力を供給するインバータ１１〜１４を監視することにより、ＤＣ配電グリッド９内の電力潮流を監視し、整流器とインバータとを協調させ、そのようにして負荷需要およびＡＣ電源の電力性能に応じて電力潮流を協調させ、異なるＡＣ電源供給業者が接続されている場合に原価管理を可能にし、その結果、入力の有効電力と出力の有効電力の間の平衡、および無効電力の平衡が達成されるようにするように適合される。マスタコントローラ１０はさらに、システムの動作を監視するように適合され、故障の場合にシステム診断を実施する。マスタコントローラ１０はさらに、蓄電池の充放電を制御するように適合され、協調した電圧制御を得るように、変圧器の負荷時タップ切換装置を制御することもできる（例えばダイオード整流器が使用される場合）。このケースでは、船舶の電力要件に従ってその船舶に給電するために、その船舶の電力要件を、それぞれのローカルコントローラではなく、マスタコントローラに知らせることができる。

さらに、これらの整流器のうちの１つの整流器が双方向整流器である場合、その双方向整流器を、（コンバータの電流性能の範囲内で）ある無効電力補償を提供するように適合させ、それによって、システムを、無効電力補償用の追加の手段なしで弱いグリッドに接続するのに適したものにすることができる。したがって、少なくとも１つの整流器が双方向整流器であるシステムが有利である。

インタフェースを介してＤＣグリッドに蓄電装置を接続すると、マスタコントローラあるいはインタフェースのローカルコントローラを適当に適合させることによって、このシステムを、ＵＰＳ（無停電電源装置）として動作させることができる。負荷能力を増大させ、電力「ピークシェービング」を提供し、ＡＣ網電圧低下を補償するように、蓄電装置を適合させることができる。蓄電装置はさらに、アイランド動作（Ｉｓｌａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を可能にし、船舶給電における電圧安定性のためにサージすることができる。

港湾（例えばコンテナターミナル）にクレーンが存在する場合、それらのクレーンを同じＤＣ配電網に接続することができ、回生制動を実施することができ、そうすることにより提案のＤＣグリッドまたは蓄電装置に余剰電力を送電することができ、その結果、港湾設備のエネルギー効率を増大させることができる。

本発明の他のいくつかの利点を以下のように要約することができる。

ＤＣ配電グリッドを使用してＡＣ網からの電力を船舶接続配置に配電することには、いくつかの利点がある。例えば、ＡＣグリッドが負荷から切り離され、それによってシステムが外乱に対してロバストになり、さらに、ＡＣグリッドが互いから切り離され、そのため、ＡＣグリッドが独立し、ＡＣ電源が、異なるさまざまな電圧レベルを有することができる。さらに、船舶接続位置にインバータと変圧器だけを配置すると、ＡＣ電源用のグリッド接続を、貴重な作業エリアを占有しないように岸壁からある距離のところに配置することができるため、すなわち変圧器および整流器が岸壁エリアの外側に置かれるため、空間が節約される。

ＡＣグリッド接続位置において少なくとも１つの双方向整流器を使用することは、インテリジェントシステムに寄与し、その結果、ＤＣグリッドの電力需要および／またはＡＣグリッドの電力性能をより容易かつ柔軟に取り扱うことができる。システムはこのような整流器をインバータとして動作させることができ、このような整流器は、グリッドの力率補正を実行する。これらの整流器を、それぞれのＡＣグリッドの調波の能動フィルタリングを実行するインバータとして動作させることもできる。

他の利点は、能動整流器を使用するときに使用可能なグリッド接続点が弱い場合であっても、港湾の電化（ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を実施することができることである。

以上に記載したシステムは、ＡＣ電源の周波数が５０ＨｚであるときならびにＡＣ電源の周波数が６０Ｈｚであるときに、５０Ｈｚおよび／または６０Ｈｚの周波数の電力を供給する目的に等しく適用可能であることを理解すべきである。

以上では、主に２、３の実施形態を参照して本発明を説明した。しかしながら、当業者には容易に理解されるとおり、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲内において、以上に開示した実施形態以外の実施形態も同様に可能である。

Ａ．それぞれの停泊位置に係留された複数の船舶に主電力グリッドから電力を供給するシステムであって、
このグリッドからのＡＣ電力を直流電流（ＤＣ）に変換する整流器と、
前記整流器のＤＣ出力に接続されたＤＣグリッドと、
それぞれの船舶へ電力を伝達する複数の船舶接続配置と
を備え、
船舶接続配置がそれぞれ、ＤＣグリッドに接続された入力を有するインバータを備え、前記インバータが、第１の周波数または第２の周波数のＡＣ電力を出力するように構成可能であり、船舶接続配置がそれぞれ、それぞれの船舶に前記ＡＣ電力を供給するように配置された
システム。

Ｂ．グリッドからのＡＣ電力を、前記ＤＣグリッドへの直流電流（ＤＣ）に変換する複数の整流器を備える、Ａ項に記載のシステム。

Ｃ．船舶接続配置がそれぞれ、前記インバータと船舶コネクタの間に配置された変圧器を備える、Ａ項に記載のシステム。

Ｄ．変圧器がそれぞれ、２つの電圧レベルの出力を備える、Ａ〜Ｃ項に記載のシステム。

Ｅ．インバータを制御するコントローラを含む、Ａ〜Ｄ項に記載のシステム。

Ｆ．前記コントローラが、それぞれの船舶の電力要件を受け取る手段と、それぞれの船舶の電力要件に従ってその船舶に電力を供給するようにシステムを制御する手段とを備える、Ｅ項に記載のシステム。

Ｇ．前記電力要件が電圧レベルを含む、Ｆ項に記載のシステム。

Ｈ．前記電力要件が周波数を含む、Ｆ項またはＧ項に記載のシステム。

Ｉ．前記主電力グリッドに関する所望の無効電力を達成するようにインバータを制御することができる、上記Ａ〜Ｈ項のいずれか一項に記載のシステム。

Ｊ．前記インバータがそれぞれ、出力ＡＣ電力の周波数に関するデータを前記コントローラから受け取る、Ｅ項からＩ項のいずれか一項に記載のシステム。

Ｋ．前記インバータがそれぞれ、出力ＡＣ電力の周波数に関するデータを、前記船舶接続配置のそれぞれのコントローラから受け取る、上記項のいずれか一項に記載のシステム。

それぞれの停泊位置に係留された複数の船舶に電力を供給する方法であって、主グリッドから整流器に電力を供給して、このグリッドからのＡＣ電力を、ＤＣグリッドへの直流電流（ＤＣ）に変換するステップと、前記ＤＣグリッドからのＤＣ電力を、複数のインバータを使用してＡＣ電力に変換するステップとを含み、インバータがそれぞれ、それぞれの船舶接続配置に位置し、前記インバータがそれぞれ、それぞれの船舶の周波数要件に従って第１の周波数または第２の周波数のＡＣ電力を出力するように構成可能である方法。

Claims (13)

1. 岸壁のそれぞれの停泊位置（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）にそれぞれ係留された船舶に、ＡＣ電源（ＡＣ−ＰＳ−１）から電力を供給するシステムであって、
   ＡＣ側およびＤＣ側を有し、前記ＡＣ電源からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換する整流器（５）であり、前記ＡＣ側が、前記ＡＣ電源に接続されるように配置された整流器（５）と、
   それぞれの船舶に電力を供給する複数の船舶接続配置であり、それぞれが、前記停泊位置のうちの１つの停泊位置に置かれており、それぞれが、第１の周波数または第２の周波数のＡＣ電力を出力するように構成可能なインバータ（１１、１２、１３、１４）および前記船舶を接続するための船舶コネクタを備える複数の船舶接続配置と
   を備えるシステムにおいて、
   前記システムがさらに、前記整流器の前記ＤＣ側に接続されたＤＣ配電網（９）を備えること、および前記整流器が、前記岸壁からある距離のところに置かれており、前記インバータがそれぞれ前記ＤＣ配電網に接続されていること
   を特徴とするシステム。
2. 前記ＤＣ配電網が、１ｋＶよりも高い電圧レベルの電力を配電するように適合された、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＤＣ配電網がＤＣ配電グリッドを備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ＤＣ配電グリッドが、ケーブルと、前記整流器および前記インバータへのケーブル接続と、ＤＣ回路遮断器またはＤＣ回路スイッチとを含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記整流器が、一方向型と双方向型のうちの任意の型の整流器である、請求項１に記載のシステム。
6. それぞれの前記船舶接続配置がさらに、前記船舶接続配置の前記船舶コネクタと前記インバータの間に配置された変圧器（１７、１８、１９、２０）を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記変圧器が、少なくとも２つの電圧レベルの出力を提供するように適合された、請求項６に記載のシステム。
8. それぞれの前記船舶接続配置がさらに、それぞれのインバータを制御するコントローラを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記コントローラがそれぞれ、前記それぞれの船舶の電力要件を受け取る手段と、前記それぞれの船舶の前記電力要件に従って、前記それぞれの船舶に電力を供給するように、前記それぞれのインバータを制御する手段とを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記電力要件が電圧レベルを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記電力要件が周波数を含む、請求項９に記載のシステム。
12. 前記ＤＣ配電網に、インタフェースを介して蓄電装置が接続された、請求項１に記載のシステム。
13. 第２のＡＣ電源（ＡＣ−ＰＳ−２、ＡＣ−ＰＳ−３、ＡＣ−ＰＳ−４）に接続された第２の整流器（６、７、８）と、マスタコントローラとをさらに備え、前記マスタコントローラが、
    それぞれの船舶の電力要件を受け取る入力手段と、
    そsれぞれの前記ＡＣ電源の使用可能な給電量を受け取る入力手段と、
    前記船舶の前記電力要件を平衡させるために必要なそれぞれの前記整流器からの有効電力を決定し、電力潮流を協調させ、前記ＡＣ電源に接続された前記整流器および前記インバータに対する一組の基準値を、決定された必要な有効電力および１つまたは複数の最適化基準に基づいて決定する電力潮流管理機構と、
    有効電力および無効電力に対する前記一組の基準値を前記ＡＣ電源および前記インバータに伝達する出力手段と
    をさらに備える、請求項１に記載のシステム。

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