JP2015227109A - 移動体のハイブリッド推進システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】双方向電力変換装置の制御をシームレスに切替可能な移動体のハイブリッド推進システムを提供する。
【解決手段】移動体のハイブリッド推進システムは、電動発電機１９、第１電力変換器２５ａ、第２電力変換器２５ｂおよび制御器１４とを備え、前記制御器は、第１電力指令値出力部１４０、第２電力指令値出力部１４１、モード選択部１４４およびドループ制御部１４５とを含み、前記ドループ制御部は、電力指令値に基づいて、電力系統の周波数と前記電動発電機の発電電力又は電動電力が、前記電力系統の周波数目標値と前記電動発電機の発電電力又は電動電力の目標値との関係を示すドループ特性線上の一点となるように制御し、且つ、前記制御器は、直流中間部の電圧が一定になるように前記第２電力変換器を制御するように構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動動作および発電動作を行う電動発電機と双方向の電力変換装置とを備えた移動体のハイブリッド推進システムおよびその制御方法に関する。

電動動作および発電動作を行う電動発電機を備えた従来の船舶のハイブリッド推進システムとして、たとえば、特許文献１に示す第１の従来技術の構成が知られている。また、電動発電機を制御する方法として、非特許文献１に示す第２の従来技術の方法が開示されている。この非特許文献１の方法では、発電機相当のドループ特性を持たせた制御(以下、「ドループ制御」と称する。)を、電力変換装置に対して行うことにより、連系運転および自立運転のいずれにおいても電動発電機を制御することができる。

独国特許第10 2005 059 760号公報

G. Marina & E. Gatti, "Large Power PWM IGBT Converter for Shaft Alternator Systems", 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004

上記特許文献１および非特許文献１に示す従来技術では、双方向電力変換装置の制御をシームレスに切り替えることについて未だ改善の余地があった。このような課題は、特許文献１に示された船舶のハイブリッド推進システムに限らず、自動車・鉄道車両等の移動体のハイブリッド推進システムにも共通する課題である。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、双方向電力変換装置の制御をシームレスに切替可能な移動体のハイブリッド推進システムを提供することを目的としている。

本発明のある態様に係る移動体のハイブリッド推進システムは、移動体を推進する推進機を回転力によって駆動する駆動軸に動力伝達可能に接続された電動発電機と、交流端が電力系統に接続され且つ直流端が直流中間部に接続された第１電力変換器と、直流端が前記直流中間部に接続され且つ交流端が前記電動発電機に接続された第２電力変換器と、回転数指令値を設定可能であり、設定された回転数指令値に対する前記電動発電機の回転数の偏差に基づいて電力指令値を出力する第１電力指令値出力部と、電力指令値を設定可能であり、設定された電力指令値を出力する第２電力指令値出力部と、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値と前記第２電力指令値出力部からの電力指令値とを選択して出力するモード選択部と、前記モード選択部から出力される電力指令値に基づいて前記第１電力変換器をドループ制御するドループ制御部と、前記直流中間部の電圧が一定になるように前記第２電力変換器を制御するよう構成された第２電力変換器制御部と、を備え、前記ドループ制御部は、前記電力指令値に基づいて、前記電力系統の周波数と前記第１電力変換器が前記電力系統に対し授与又は受給する前記電動発電機の発電電力又は電動電力（以下、対系統授受電力という）とが、前記電力系統の周波数目標値と前記対系統授受電力の目標値との関係を示すドループ特性線上の一点となるように制御するよう構成されている。

この構成によれば、第１電力指令値出力部からの回転数指令値に基づいた電力指令値と第２電力指令値出力部からの電力指令値とを選択し、選択された電力指令値に基づいて第１電力変換器をドループ制御している。これにより、回転数制御モードおよび電力制御モードのいずれにおいてもドループ制御を行うことができる。よって、回転数制御モードと電力制御モードとを切り替える際であっても、シームレスに制御を切り替えることができる。

また、第１電力指令値出力部からの回転数指令値に基づいた電力指令値と第２電力指令値出力部からの電力指令値とを選択している。これにより、システムの状態に応じて回転数制御モードと電力制御モードとを適切に使い分けることができる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記ドループ特性線は、前記電力系統の標準周波数に対しては電力指令値に設定し、前記標準周波数より高い周波数に対しては電力指令値より小さい前記電動発電機の発電電力又は電力指令値より大きい電動電力に設定し、前記標準周波数より低い周波数に対しては電力指令値より大きい前記電動発電機の発電電力又は電力指令値より小さい電動電力に設定されていてもよい。この構成によれば、電力系統の周波数目標値と第１電力変換器の対系統授受電力の目標値との関係を示すドループ特性線を、主発電機と連系させる上で好適に設定することができる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記ドループ制御部は、前記電力系統の周波数を、実際の前記対系統授受電力と前記ドループ特性線とから求まる周波数になるように制御するよう構成されていてもよい。この構成によれば、ドループ制御によって第１電力変換器を周波数制御することができる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記ドループ制御部は、前記対系統授受電力を、実際の前記電力系統の周波数と前記ドループ特性線とから求まる前記対系統授受電力になるように制御するよう構成されていてもよい。この構成によれば、ドループ制御によって第１電力変換器を電力制御することができる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記モード選択部から出力される電力指令値が、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値と前記第２電力指令値出力部からの電力指令値との間で切り替わる場合、前記ドループ制御部に入力される前記電力指令値が連続的に変化するように構成されていてもよい。この構成によれば、回転数制御モードと電力制御モードとが切り替えられる際、電力指令値が急激に変化しないことにより、船舶の推力あるいは供給電力の急激な変化を防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、前記モード選択部から出力される前記電力指令値を、その変化を制限して前記ドループ制御部に入力するレートリミッタをさらに備えていてもよい。この構成によれば、レートリミッタにより、電力指令値の急激な変化がさらに抑制されるため、船舶の推力あるいは供給電力の急激な変化を防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、前記推進機を駆動する前記駆動軸に動力伝達可能に接続された原動機をさらに備え、前記原動機が動作し且つ回転数制御される場合、前記モード選択部は、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されていてもよい。この構成によれば、原動機が回転数制御される場合、電動発電機が電力制御されるため、原動機および電動発電機の過負荷が防止される。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記電力系統に電力を供給する他の機器が接続されていない場合、前記モード選択部は、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されていてもよい。この構成によれば、電動発電機が電力制御されることにより、停電または電動発電機の過負荷を防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記移動体は、電力供給が電力需要を満たすように各発電設備に発電要求を出力するパワマネジメントシステムを有し、前記モード選択部は、前記パワマネジメントシステムから前記発電要求を受けた場合は、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するよう構成されていてもよい。この構成によれば、電動発電機が電力制御されることにより、停電または電動発電機の過負荷を防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、前記推進機を駆動する前記駆動軸に作用する負荷または前記推進機の回転数の周期的な変動分を検出し、前記変動の振幅が所定の閾値以上である場合、前記モード選択部は、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されていてもよい。この構成によれば、駆動軸の負荷または推進機の回転数が周期的な変動の振幅が大きい場合、電動発電機を回転数制御することにより、推進機の回転速度が超過することを防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、前記推進機を駆動する前記駆動軸の回転速度を検出し、前記回転速度が所定の閾値以上である場合、前記モード選択部は、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されていてもよい。この構成によれば、駆動軸の回転速度が大きい場合、電動発電機を回転数制御することにより、推進機の回転速度が超過することを防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、レバーをさらに備え、前記第１電力指令値出力部は、前記レバーの操作量に基づいて前記回転数指令値を設定し、前記第２電力指令値出力部は、前記レバーの操作量に基づいて前記電力指令値を設定するように構成されていてもよい。この構成によれば、１つのレバーにより回転数指令値および電力指令値を入力することができるため、操作性に優れる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記モード選択部から出力される電力指令値が、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値と前記第２電力指令値出力部からの電力指令値との間で切り替わる場合、前記レバーの操作による前記回転数指令値または前記電力指令値の設定を無効化し、前記切り替わる直前の時点における実際の前記電動発電機の回転数を仮の回転数指令値に設定し、前記レバーの操作量に対応する前記第１電力指令値出力部からの前記回転数指令値が、前記仮の回転数指令値に一致するまで、または、レバーが離散的な操作量を与える場合は前記仮の回転数指令値に最も近い値に対応する操作量となる位置まで、前記レバーが操作された時点で前記無効化を解除する、または、前記切り替わる直前の時点における実際の前記対系統授受電力を仮の電力指令値に設定し、前記レバーの操作量に対応する前記第２電力指令値出力部からの電力指令値が、前記仮の電力指令値に一致するまで、またはレバーが離散的な操作量を与える場合は前記仮の電力指令値に最も近い値に対応する操作量となる位置まで、前記レバーが操作された時点で前記無効化を解除するよう構成されていてもよい。この構成によれば、制御モードの切り替え時にレバーが無効化されることにより、操作者が意図しない指令値が入力されることを防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、第１電力指令値出力部が積分要素を備え、前記モード選択部から出力される電力指令値が、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値から前記第１電力指令値出力部からの電力指令値に切り替わる場合、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値が前記切り替わる直前の時点における実際の前記対系統授受電力に一致するよう、前記積分要素の値を設定するように構成されていてもよい。この構成によれば、積分要素の値を適宜設定することにより、実際の対系統授受電力の急激な変化を防止することができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、表示部をさらに備え、前記レバーの操作による前記回転数指令値または前記電力指令値の設定が無効化されている間、当該無効化を前記表示部に表示するように構成されていてもよい。この構成によれば、レバーの無効化が表示されることにより、操作者に無効化を知らせることができる。

移動体のハイブリッド推進システムは、レバーをさらに備え、前記移動体が船舶であってもよい。

移動体のハイブリッド推進システムは、前記レバーは、前記駆動軸に動力伝達可能に接続された原動機の回転数指令または燃料供給量指令をさらに兼ねていてもよい。この構成によれば、レバーにより原動機の回転数指令または燃料供給量指令をさらに入力できるため、操作性に優れる。

移動体のハイブリッド推進システムでは、前記推進機は可変ピッチプロペラであり、前記レバーは、可変ピッチプロペラの翼角指令をさらに兼ねていてもよい。この構成によれば、前記レバーにより可変ピッチプロペラの翼角指令をさらに入力することができるため、操作性に優れる。

移動体のハイブリッド推進システムは、前記推進機は可変ピッチプロペラであり、前記レバーは、前記駆動軸に動力伝達可能に接続された原動機の回転数指令と前記可変ピッチプロペラの翼角指令とを、所定のコンビネーションカーブに沿って同時に指令する機能をさらに兼ねていてもよい。この構成によれば、原動機の回転数指令と可変ピッチプロペラの翼角指令をコンビネーションカーブに沿ってレバーにより同時に入力することができるため、操作性および燃費に優れる。

本発明のある態様に係る移動体のハイブリッド推進システムの制御方法は、移動体を推進する推進機を回転力によって駆動する駆動軸に動力伝達可能に接続された電動発電機と、交流端が電力系統に接続され且つ直流端が直流中間部に接続された第１電力変換器と、直流端が前記直流中間部に接続され且つ交流端が前記電動発電機に接続された第２電力変換器と、を備える移動体のハイブリッド推進システムの制御方法であって、回転数指令値を設定し、設定された回転数指令値に対する前記電動発電機の回転数の偏差に基づいて電力指令値を出力する第１電力指令値出力ステップと、電力指令値を設定し、設定された電力指令値を出力する第２電力指令値出力ステップと、前記第１電力指令値出力ステップの電力指令値と前記第２電力指令値出力ステップの電力指令値とを選択して出力するモード選択ステップと、前記モード選択ステップによって出力される電力指令値に基づいて前記第１電力変換器をドループ制御するドループ制御ステップと、前記直流中間部の電圧が一定になるように前記第２電力変換器を制御する第２電力変換器制御ステップとを含み、前記ドループ制御ステップにおいて、前記電力指令値に基づいて、前記電力系統の周波数と前記第１電力変換器が前記電力系統に対し授与又は受給する前記電動発電機の発電電力又は電動電力（以下、対系統授受電力という）が、前記電力系統の周波数目標値と前記対系統授受電力の目標値との関係を示すドループ特性線上の一点となるように制御する。

本発明は、以上に説明した構成を有し、双方向電力変換装置の動作をシームレスに切替可能な移動体のハイブリッド推進システムを提供することができるという効果を奏する。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の実施の形態１に係る移動体のハイブリッド推進システムを概略的に示すブロック図である。 図２（ａ）は、発電動作する電動発電機を制御する際に設定されるドループ特性線である。図２（ｂ）は、電動動作する電動発電機を制御する際に設定されるドループ特性線である。 図３（ａ）は、周波数制御時のドループ特性線である。図３（ｂ）は、電力制御時のドループ特性線である。 移動体のハイブリッド推進システムの制御器の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る移動体のハイブリッド推進システムの制御器を概略的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る移動体のハイブリッド推進システムを概略的に示すブロック図である。 図６のハイブリッド推進システムの運転モードを示す図である。 図６の制御器を概略的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態５に係る移動体のハイブリッド推進システムを概略的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る移動体のハイブリッド推進システムの制御器を概略的に示すブロック図である。 第１および第２の従来技術、ならびに本発明の各運転モードにおける、第１電力変換器および第２電力変換器のそれぞれの制御方法を示す表である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、移動体のハイブリッド推進システムに関して、双方向電力変換装置の制御をシームレスに切り替えることについて検討した。たとえば、電動発電機に加えて、原動機および電力系統の発電機を備えたシステムでは、双方向電力変換装置は、電動発電機が単独で発電する自立運転と、電動発電機及び電力系統の発電機の双方が発電する系統連系運転とを行う必要がある。一方、図１１に示すように、電動機、発電機および電動発電機の運転モードとして、４つの運転モードがある。この運転モードとしては、電気推進モード、推進加勢モード、並列モードおよび軸発モードが挙げられる。

たとえば、電気推進モードでは、原動機が停止し、電動発電機が電動動作する。この場合、他に推進機の回転数を制御する動力源がないため、電動発電機の回転数を制御する必要がある。この電動発電機は、双方向電力変換装置によって制御される。双方向電力変換装置は、電力系統と電動発電機との間に設けられ、系統側電力変換器と、電動発電機側電力変換器と、両者を接続する直流中間部と、を備えている。

第１の従来技術の電気推進モードでは、電動発電側電力変換器によって電動発電機をモータドライブ制御（たとえばベクトル制御）することによって、電動発電機の回転数制御を行うとともに、系統側電力変換器によって直流中間電圧一定制御を行っている。これに対し、電気推進モード以外の運転モード（推進加勢モード、並列モードおよび軸発モード）では、系統側電力変換器によって電力系統に対してドループ制御を行うことによって、系統周波数を維持しつつ電力需給を調整するとともに、電動発電機側電力変換器によって直流中間電圧一定制御を行っている。このため、電気推進モードから他の運転モードへ遷移させる際、双方向電力変換装置の制御方式を切り替えなければならない。

たとえば、電気推進モードで運転している際に、重量物を牽引する場合、電気推進モードから、供給可能推力が大きな推進加勢モードへ遷移させる。この際、系統側電力変換器は、直流中間電圧制御からドループ制御へ、電動発電機側電力変換器は、モータドライブ制御から直流中間電圧一定制御へ制御方式を切り替える。ここで、系統側電力変換器と電動発電機側電力変換器の両方が同時に直流中間電圧一定制御を行うことは、制御を不安定化させる要因となる。このため、推力を維持しなければならない状況にもかかわらず、ハイブリッド推進システムを一旦、停止しなければならないという課題があった。

また、第２の従来技術の電気推進モードでは、電動発電機側電力変換器によりモータドライブ制御することによって電動発電機の回転数制御を行い、系統側電力変換器により直流中間電圧一定制御を行っている。また、推進加勢モードでは、電動発電機側電力変換器によりモータドライブ制御することによって、電動発電機の電力制御を行い、系統側電力変換器により直流中間電圧一定制御を行っている。これに対し、電動発電機が発電動作する並列モードおよび軸発モードでは、系統側電力変換器により電力系統に対してドループ制御を行い、電動発電機側電力変換器により直流中間電圧一定制御を行っている。このため、電動動作と発電動作とを切り替える際に双方向電力変換装置の制御方式を切り替えなければならない。

一方、船舶のハイブリッド推進システムでは、たとえば、波浪などの負荷変動を吸収することにより、発電機の燃費の最小化を図っている。このため、電動発電機の電動動作と発電動作とを数秒周期ごとに頻繁に切り替えている。しかしながら、動作の切り換えの際にハイブリッド推進システムを一旦停止しなければならず、制御方式を遷移させるための時間を要するため、燃費の向上が図れないという課題があった。

本発明者らは、上述の分析から、系統側電力変換器に対するドループ制御と電動発電機の回転数制御及び電力制御とを両立させることにより、上述の課題を解決できることに着目した。

そして、本発明者らは、系統側電力変換器に対してドループ制御を行うとともに、このドループ制御の上位に電動発電機の回転数制御と電力制御とを選択可能に設けることにより、ドループ制御を常時有効としたまま電動発電機の回転数制御と電力制御とを行うことができることを見出した。この知見によれば、双方向電力変換装置の自立運転と系統連系運転との切り替えをシームレスに行うことができるとともに、電動発電機の回転数制御及び電力制御を行うことができ且つ両者をシームレスに切り替えることができる。すなわち、電気推進モードと推進加勢モード、推進加勢モードと並列モード、並列モードと軸発モードのいずれのモード間の遷移においてもハイブリッド推進システムの停止が発生しない。

本発明はこの知見に基づいてなされたものである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る移動体のハイブリッド推進システム１０を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、移動体は、ハイブリッド推進システム１０および推進機１１を備えている。ハイブリッド推進システム１０は、電動発電機１９および電力変換装置２５および制御器１４を備えている。電動発電機１９は、１つまたは複数、移動体に設けられている。なお、移動体は、推進機１１が発生した推力により移動する物であって、たとえば、船舶、自動車、鉄道車両などが挙げられる。

推進機１１は、移動体を推進する機器であって、たとえば、プロペラおよび駆動輪（タイヤ、キャタピラ等）が挙げられる。推進機１１は、その駆動軸がハイブリッド推進システム１０の電動発電機１９に接続されており、電動発電機１９から入力された動力を移動体の推力に変換する。

電動発電機１９は、交流電力を動力に変換する電動機能、および、動力を交流電力に変換する発電機能を有している。電動発電機１９は、推進機１１を回転力によって駆動する駆動軸に動力伝達可能に接続されており、たとえば、減速装置、嵌脱可能なクラッチなどの動力伝達機構により推進機１１の駆動軸に連結されている。また、電動発電機１９の電気端子は、双方向の電力変換装置２５を介して電力系統１８に接続されると共に、母線を介して電力負荷に接続されている。電動発電機１９は、電動機として機能（電動動作）する場合、電力系統１８から電力変換装置２５を介して入力された電力を回転動力に変換し、動力を推進機１１に伝達する。一方、電動発電機１９は、発電機として機能（発電動作）する場合、推進機１１から入力された回転動力を電力に変換し、電力を、電力変換装置２５を介して母線に出力する。

電力系統１８は、母線（図示せず）、母線に接続された電力負荷（図示せず）、及び発電機（図示せず）等の他の電力源で構成されている。

双方向の電力変換装置２５は、交流電力を一旦直流電力変換し、その変換により得られた直流電力を交流電力に変換して、電力系統１８および電動発電機１９の交流の周波数および電圧を相互に変換する機器である。電力変換装置２５は、その一方の端子が電力系統１８に接続され、他方の端子が電動発電機１９に接続されている。具体的には、電力変換装置２５は、第１電力変換器２５ａ、第２電力変換器２５ｂおよびＤＣリンクキャパシタ２５ｃを有している。第１電力変換器２５ａおよび第２電力変換器２５ｂは、一対の配線で構成されたＤＣリンク（直流中間部）により接続されている。ＤＣリンクキャパシタ２５ｃは、ＤＣリンクに接続されており、ＤＣリンクの電圧（直流中間電圧）の変動を平滑化する。

第１電力変換器２５ａは、系統側電力変換器であって、たとえば双方向インバータで構成されている。第１電力変換器２５ａの交流端が電力系統１８に接続され、かつ、直流端がＤＣリンクに接続されている。第１電力変換器２５ａは、ＤＣリンクから入力された直流電力を交流電力に変換して電力系統１８に出力する。また電力系統１８から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクに出力する。

第２電力変換器２５ｂは、電動発電機側電力変換器であって、たとえば双方向インバータで構成されている。第２電力変換器２５ｂの直流端がＤＣリンクに接続され、かつ、交流端が電動発電機１９に接続されている。第２電力変換器２５ｂは、電動発電機１９から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力する。また、ＤＣリンクから入力された直流電力を交流電力に変換して電動発電機１９に出力する。

制御器１４は、第１電力変換器２５ａをドループ制御し、第２電力変換器２５ｂを直流中間電圧が一定になるように制御することによって、電動発電機１９を制御する。「ドループ制御」は、制御器１４の内部に発電機を制御するガバナのモデルを構築することによって、第１電力変換器２５ａに発電機に相当する特性を持たせる制御である。第１電力変換器２５ａが発電機に相当する特性を有する結果、自立運転と系統連系運転とをシームレスに切り替えることができる。

「ドループ制御」は周知の技術であるので、詳しい説明は省略する。「ドループ制御」の詳細は、非特許文献１等を参照されたい。なお、「ドループ制御」においては、電力系統１８の周波数と、電力系統１８に対して第１電力変換器２５ａが授受する電力（有効電力）とがそれぞれのセンサ（図示せず）によって検出されて制御器１４（正確には後述するドループ制御部１４５（図４参照））に入力され、ドループ制御におけるこれらの制御に用いられる。

本実施の形態では、「ドループ制御」の上位に電動発電機１９の回転数制御と電力制御とが選択可能に設けられる。具体的には、本実施の形態では、ドループ制御において、電力系統１８の標準周波数および電力指令値Ｐｃに基づいてドループ特性線を設定する。そして、ドループ特性線上の目標値になるように電力系統１８の周波数または第１電力変換器２５ａの電力を制御している。このドループ特性線は、電力系統１８の周波数目標値と第１電力変換器２５ａの「対系統授受電力」の目標値との関係を示す。本実施の形態においては、第１電力変換器２５ａが電力系統１８に授与（出力）する電力は電動発電機１９の発電電力に相当し、第１電力変換器２５ａが電力系統１８から受給する（入力される）電力は電動発電機１９の電動電力に相当する。そこで、便宜上、第１電力変換器２５ａが電力系統１８に対し授与する電動発電機１９の発電電力、または、第１電力変換器２５ａが電力系統１８に対し受給する電動発電機１９の電動電力を「対系統授受電力」と呼ぶ。なお、「対系統授受電力」は、電力系統１８に対して第１電力変換器２５ａが授受する電力のうちの有効電力を意味する。

次に、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照し、ドループ特性線の設定方法について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、ドループ特性線を表すグラフである。図２（ａ）は、発電動作する電動発電機１９を制御する際に設定されるドループ特性線である。図２（ｂ）は、電動動作する電動発電機１９を制御する際に設定されるドループ特性線である。各グラフの縦軸に電力系統１８の周波数を示し、横軸に対系統授受電力を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、ドループ特性線は、電力系統１８の周波数の低下に応じて発電電力が増加して電動電力が減少する。

ドループ特性線は、電力系統１８の標準周波数Ｆｓ、電動発電機１９に対する電力指令値Ｐｃおよび傾きにより定められる。電力系統１８の標準周波数Ｆｓは、電力系統１８ごとに予め定められており、たとえば、船舶における電源の標準周波数：６０Ｈｚや日本における電源の標準周波数：６０Ｈｚまたは５０Ｈｚが用いられる。電力指令値Ｐｃは、後述するように、操作者などにより入力された操作情報に基づいて設定される。ドループ特性線の傾きは、所定の値である。このため、標準周波数Ｆｓおよび電力指令値Ｐｃにより定められる点を通るように、ドループ特性線が設定される。これにより、電力指令値Ｐｃに応じてドループ特性線を変えることができる。なお、ここでは、標準周波数Ｆｓを電力系統１８の周波数に設定したが、標準周波数Ｆｓは適宜設定される。

次に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照し、ドループ制御方法について説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、ドループ特性線を表すグラフである。前述したように、ドループ特性線は、電力系統１８の標準周波数Ｆｓおよび電力指令値Ｐｃに基づいて設定される。図３（ａ）は、周波数制御時のドループ特性線である。図３（ｂ）は、電力制御時のドループ特性線である。各グラフの縦軸に電力系統１８の周波数を示し、横軸に対系統授受電力を示している。

実際の電力系統１８の周波数（実際値）ｆおよび実際の対系統授受電力（実際値）Ｐは、各グラフのＸ印で示される。図３（ａ）の周波数制御では、Ｘ印で示す電力系統１８の周波数の実際値ｆは、Ｘ印で示す対系統授受電力の実際値Ｐとドループ特性線上とから求める周波数目標値ｆ^＊より小さい。このため、電力系統１８の周波数の実際値ｆが周波数目標値ｆ^＊になるように、第１電力変換器２５ａが制御される。また、図３（ｂ）の電力制御では、Ｘ印で示す対系統授受電力の実際値Ｐは、Ｘ印で示す電力系統１８の周波数の実際値ｆとドループ特性線とから求まる電力目標値Ｐ^＊より小さい。このため、対系統授受電力の実際値Ｐが電力目標値Ｐ^＊になるように、第１電力変換器２５ａが制御される。

次に、図４を参照し、制御器１４の具体的な構成について説明する。図４は、移動体のハイブリッド推進システム１０の制御器１４の構成例を示すブロック図である。

制御器１４は、演算装置で構成されており、第１電力変換器制御部および第２電力変換器制御部１３０を備えている。第１電力変換器制御部は、第１電力指令値出力部１４０、第２電力指令値出力部１４１、モード選択部１４４およびドループ制御部１４５を有している。第１電力指令値出力部１４０は、第２電力指令値出力部１４１およびＰＩＤ制御部１４３を含んでいる。これらの制御器１４の各部は、それぞれ内蔵されるプログラムが演算装置により実行されることにより実現される機能である。

第１電力変換制御部では、第１電力指令値出力部１４０は、回転数指令値を設定可能であり、設定された回転数指令値に対する電動発電機１９の回転数の偏差に基づいて電力指令値を出力する。第２電力指令値出力部１４１は、電力指令値を設定可能であり、設定された電力指令値を出力する。モード選択部１４４は、モード指令に基づいて第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値と第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値とを選択して出力する。ドループ制御部１４５は、モード選択部１４４から出力される電力指令値に基づいて第１電力変換器２５ａをドループ制御する。ここで、ドループ制御部１４５は、電力指令値に基づいて、電力系統１８の周波数および対系統授受電力がドループ特性線上の一点となるように制御する。また、第２電力変換器制御部１３０は、直流中間部の電圧が一定になるように、第２電力変換器２５ｂを制御する。

次に、図４を参照し、移動体のハイブリッド推進システム１０の動作（制御方法）について説明する。ここでは、電動発電機１９は、回転数制御モードおよび電力制御モードを有している。この回転数制御モードまたは電力制御モードは、図１１に示す電動発電機１９の動作形態に応じて切り換えられる。なお、図１には、推進機１１に電動発電機１９のみが接続される構成が示されている。この構成においては、移動体のハイブリッド推進システム１０は、電気推進モードのみを有する。

一方、推進機１１に電動発電機１９と原動機（図示せず）とが動力伝達機構（図示せず）を介して接続されるよう構成することもできる。この構成においては、移動体のハイブリッド推進システム１０は、電気推進モード、推進加勢モード、並列モード、及び軸発モードを有する。たとえば、電気推進モードの場合、電動発電機１９は回転数制御される。また、推進加勢モード、並列モード、及び軸発モードの場合、原動機が回転数制御され、電動発電機１９は、電力制御されることが一般的である。ただし、電動発電機１９が発電動作する場合（並列モード、及び軸発モード）、回転数制御モードを用いることも理論上可能である。以下では、電動発電機１９が回転数制御される動作モードを「回転数制御モード」と呼び、電動発電機１９が電力制御される動作モードを「電力制御モード」と呼ぶ。

電動発電機１９を回転数制御する場合、回転数制御モードである旨のモード指令を入力部２９（図８参照）から受けて、モード選択部１４４は、回転数制御モードを選択する。これにより、操作者が推力を調整するためにレバーなどを操作すると、その操作情報が第１電力指令値出力部１４０の回転数指令値生成部１４２へ出力される。回転数指令値生成部１４２では、内蔵された操作情報と回転指令値との関係を示すルックアップテーブルに基づいて、入力された操作情報に対応する回転数指令値ｎｃを生成する。ＰＩＤ制御部１４３では、入力された回転数指令値ｎｃと、実際の電動発電機１９の回転数（実際値）ｎとの偏差Δｎを求め、回転数の偏差を比例処理、積分処理および微分処理することによって電力指令値Ｐｃを生成する。

ここでは、電動発電機１９の回転数制御であるため、モード選択部１４４は、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値Ｐｃをドループ制御部１４５へ出力する。ドループ制御部１４５では、電力指令値Ｐｃに基づいて、図２（ａ）または図２（ｂ）に示すようにドループ特性線を設定する。このドループ特性線によって、操作情報に応じた電力系統１８の周波数目標値ｆ^＊または対系統授受電力の目標値Ｐ^＊が定められる。

ドループ制御部１４５が第１電力変換器２５ａを周波数制御する場合には、図３（ａ）に示すように、対系統授受電力の実際値Ｐとドループ特性線とから周波数目標値ｆ^＊を求める。そして、周波数目標値ｆ^＊に対する周波数の実際値ｆの偏差Δｆを第１電力変換器２５ａへ出力する。これにより、周波数の実際値ｆが周波数目標値ｆ^＊になるように、第１電力変換器２５ａがドループ制御される。

また、ドループ制御部１４５が第１電力変換器２５ａを電力制御する場合には、図３（ｂ）に示すように、電力系統１８の周波数の実際値ｆとドループ特性線とから電力目標値Ｐ^＊を求める。そして、電力目標値Ｐ^＊に対する対系統授受電力の実際値Ｐの偏差ΔＰを第１電力変換器２５ａへ出力する。これにより、対系統授受電力の実際値Ｐが電力目標値Ｐ^＊になるように、第１電力変換器２５ａがドループ制御される。

このように、電力系統１８の周波数または対系統授受電力が制御されると、それに伴い、直流中間電圧が変動する。これに応じて、第２電力変換器制御部１３０が、直流中間電圧が一定になるように第２電力変換器２５ｂを制御する。すると、この制御に応じて、電動発電機１９が発電動作または電動動作する。この電動発電機１９の発電動作における電動発電機１９の回転数は、原動機から供給される動力と第１電力変換器２５ａから電力系統１８に授与される電力との差によって定まる。電動発電機１９の電動動作における電動発電機１９の回転数は、推進機１１に伝達される動力、すなわち原動機から供給される動力と第１電力変換器２５ａが電力系統から受け取る電力との和によって定まる。このようにして定まった電動発電機１９の回転数が第１電力指令値出力部１４０に入力される。以上の制御により、第１電力変換器２５ａに対するドループ制御が行われるとともに、電動発電機１９の回転数がフィードバック制御される。

一方、電動発電機１９を電力制御する場合、電力制御モードである旨のモード指令を入力部２９（図９参照）から受けて、モード選択部１４４は、電力制御モードを選択する。これにより、操作者が推力を調整するためにレバーなどを操作すると、その操作情報が第２電力指令値出力部１４１へ出力される。第２電力指令値出力部１４１では、内蔵された操作情報と電力指令値との関係を示すルックアップテーブルに基づいて、入力された操作情報に対応する電力指令値Ｐｃを生成する。

ここでは、電動発電機１９の電力制御であるため、モード選択部１４４は、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃをドループ制御部１４５へ出力する。ドループ制御部１４５は、上述の回転数制御モードと同様の制御がなされ、それに伴い、直流中間電圧が変動する。これに応じて、第２電力変換器制御部１３０が、直流中間電圧が一定になるように第２電力変換器２５ｂを制御する。すると、この制御に応じて、電動発電機１９が発電動作または電動動作する。この電動発電機１９の発電動作における電動発電機１９の発電電力は、第１電力変換器２５ａから電力系統１８に授与される電力によって定まり、発電に必要な動力は原動機から供給される。また、電動発電機１９の電動動作における電動発電機１９の消費電力は、第１電力変換器２５ａが電力系統１８から受給する電力によって定まる。以上の制御により、第１電力変換器２５ａに対するドループ制御が行われるとともに、このドループ制御において電動発電機１９の電力（発電電力または消費電力（負の発電電力））がフィードバック制御される。

このように、上記構成によれば、双方向の電力変換装置２５の自立運転と系統連系運転との切り替えをシームレスに行うことができるとともに、電動発電機１９の回転数制御及び電力制御を行うことができ且つ両者をシームレスに切り替えることができる。その結果、たとえば、船舶のハイブリッド推進システム１０では、電気推進モードから、供給可能推力が大きな推進加勢モードへ遷移する場合、システムを一旦停止する必要がなくなる。また、電動発電機の電動動作と発電動作とを数秒周期ごとに頻繁に切り替えることができるので、波浪などの負荷変動を吸収することにより、発電機の燃費を向上することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る移動体のハイブリッド推進システム１０では、図５に示すように、制御器１４がレートリミッタ１４６をさらに備える。図５は、実施の形態２に係る移動体のハイブリッド推進システム１０の制御器１４を概略的に示すブロック図である。

レートリミッタ１４６は、制御器１４においてモード選択部１４４およびドループ制御部１４５に接続されている。レートリミッタ１４６は、ドループ制御部１４５に入力される電力指令値Ｐｃが急激に変化した場合に、その変化を平滑化する。たとえば、回転数制御モードと電力制御モードとを切り替えた際に、電力指令値Ｐｃの入力元が第１電力指令値出力部１４０から第２電力指令値出力部１４１へ変わるため、電力指令値Ｐｃが急激に変化する。このとき、所定時間（演算周期）毎に電力指令値と前回の電力指令値との差分を求め、その差分が所定範囲を超えると、差分を所定の上限値および下限値で制限し、制限された差分を加算することにより電力指令値を連続的に変化させる。これにより、電力指令値Ｐｃの変化率が制限される。

なお、ここでは、電力指令値Ｐｃの変化率を制限するため、レートリミッタ１４６を用いた。ただし、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値Ｐｃと第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃとの間で切り替わる場合に、ドループ制御部１４５に入力される電力指令値Ｐｃを連続的に変化させるものであれば、レートリミッタ１４６に限定されず、たとえば一次遅れフィルタ等であってもよい。

上記構成によれば、電動発電機１９の制御モードの切り替えを円滑に行うことができる。すなわち、たとえば、回転数制御モードでは、操作情報に応じた回転数指令値ｎｃと電動発電機１９の回転数の実際値ｎとの偏差Δｎに基づいて、電力指令値Ｐｃが出力されている。これに対し、電力制御モードでは、操作情報に応じた電力指令値Ｐｃが出力されている。このため、回転数制御モードの電力指令値Ｐｃと電力制御モードの電力指令値Ｐｃとが大きく異なる。よって、電力制御モードと回転数制御モードとを切り替えると、電力指令値Ｐｃが急激に変化する。このような場合であっても、ドループ制御部１４５に入力される電力指令値の変化がレートリミッタ１４６によって平滑化されるため、制御モードの切り替えが円滑に行なわれる。

なお、上記では、電動発電機１９の制御モードの切り替え時以外にも、レートリミッタ１４６により電力指令値の変化が所定範囲に制限された。ただし、電動発電機１９の制御モードの切り替え時のみに、レートリミッタ１４６により電力指令値の変化が所定範囲に制限されるようにしてもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る移動体のハイブリッド推進システム１０は、実施の形態１の移動体のハイブリッド推進システム１０を船舶に適用した一例である。図６は、実施の形態３に係る移動体のハイブリッド推進システム１０を概略的に示すブロック図である。

ハイブリッド推進システム１０は、推力および電力供給系統１３および記憶部１５をさらに備えている。推力および電力供給系統１３は、プロペラ１１および船内電力負荷２１に接続され、構成機器１７、１８、１９により生じた推力（動力）および電力を各負荷１１、２１に供給する系統である。構成機器は、回転動力または電力を発生する機器であって、主機１７、主発電機１８、電動発電機１９により構成されている。主機１７、主発電機１８および電動発電機１９は、それぞれ、１つまたは複数、船内に設けられている。

主機１７は、ハイブリッド推進システム１０における主動力源であり、たとえば、エンジンなどの原動機が用いられる。主機１７は、動力伝達機構を介してプロペラ１１および電動発電機１９に連結されている。動力伝達機構は、たとえば、プロペラ１１の駆動軸、減速装置２０および主機１７の軸により構成されている。減速装置２０は、主機１７からの動力の回転速度を減じてトルクを増加させ、動力をプロペラ１１や電動発電機１９に伝達する。

主発電機１８は、電動発電機１９や船舶の船内電力負荷２１に電力を供給する主電力源であって、船内母線２２に接続されている。この船内母線２２に船内電力負荷２１および電動発電機１９が接続されている。船内電力負荷２１としては、たとえば、サイドスラスタ（図示せず）、補機（図示せず）、操作卓２３、電熱器（図示せず）、電灯（図示せず）が挙げられる。船内電力負荷２１および電動発電機１９は、ＰＭＳ（Power Management System）２４に接続されており、船内電力負荷２１および電動発電機１９が動作する際に必要な電力の要求をＰＭＳ２４に出力する。ＰＭＳ２４は、船内電力負荷２１および電動発電機１９に加えてさらに制御器１４および供給系統１３の各機器に接続されている。ＰＭＳ２４は、各電力負荷１９、２１からの要求電力に基づいてハイブリッド推進システム１０に対する需要電力を求め、需要電力を制御器１４へ出力する。また、ＰＭＳ２４は、供給系統１３の各機器の停止および動作を制御する。

電動発電機１９は、動力伝達機構を介してプロペラ１１および主機１７に連結されている。動力伝達機構は、電動発電機１９の軸、プロペラ１１の駆動軸、減速装置２０および主機１７の軸により構成されている。また、電動発電機１９は、主発電機１８に接続されると共に、船内母線２２を介して船内電力負荷２１に接続されている。電動発電機１９は、電動機として機能（電動動作）する場合、主発電機１８からの電力を受けて回転動力を発生する。これにより、回転動力は電動発電機１９から減速装置２０を介してプロペラ１１に伝達されて、プロペラ１１が回転し推力を発生する。一方、電動発電機１９は、発電機として機能（発電動作）する場合、主機１７の回転動力を受けて発電し、電力を、船内母線２２を介して船内電力負荷２１に供給する。

電力変換装置２５が電動発電機１９と主発電機１８との間に設けられている。電力変換装置２５は、主発電機１８および電動発電機１９からの交流を双方向に変換する電力変換装置である。つまり、電力変換装置２５は、図１に示す第１電力変換器２５ａおよび第２電力変換器２５ｂを有している。第１電力変換器２５ａの交流端が船内母線２２に接続され、第２電力変換器２５ｂの交流端が電動発電機１９に接続されている。

記憶部１５は、ハイブリッド推進システム１０の運転モードを記憶している。運転モードは、複数あり、主機１７の動作または停止、主発電機１８の動作または停止、および、電動発電機１９の電動動作、発電動作または停止の組み合わせにより設定される。

プロペラ１１は、船舶に推力を与える推進機であって、１つまたは複数、船舶に設けられている。プロペラ１１は、減速装置２０に接続されている。プロペラ１１は、主機１７および／または電動動作する電動発電機１９から出力される回転動力を、減速装置２０を介して受けて、回転動力を推力に変換する。プロペラ１１の推力は、減速装置２０により調整されるプロペラ１１の回転数、および、ピッチ角調整機構（図示せず）により調整されるプロペラ１１のピッチ角（翼角）によって制御される。

レバー１２は、操作者が船舶の需要推力を入力するための操縦桿であって、たとえば、スロットルレバーが用いられ、操作卓２３に設けられている。レバー１２は、ＰＣＳ（Propulsion Control System）２６に接続されており、操作者によるレバー１２の操作量（操作情報）をＰＣＳ２６へ出力する。ＰＣＳ２６は、レバー１２に加えてさらに制御器１４、主機１７の制御装置およびピッチ角調整機構に接続されている。ＰＣＳ２６は、レバー１２の操作量に基づいて需要推力、主機１７の回転数およびプロペラ１１のピッチ角を求める。そして、ＰＣＳ２６は、需要推力を制御器１４へ出力し、主機１７の回転数を主機１７の制御装置へ出力し、プロペラ１１のピッチ角をピッチ角調整機構へ出力する。このプロペラ１１の回転数およびピッチ角によってプロペラ１１の推力が制御される。

入力部２９は、制御器１４に接続されており、たとえば、キーボードやタッチパッドなどが用いられ、操作卓２３に設けられている。

なお、制御器１４、ＰＭＳ２４およびＰＣＳ２６は、１つの制御装置で構成されていてもよいし、３つの個別の制御装置でそれぞれ構成されていてもよい。これら１４、２４、２６が１つの制御装置で構成される場合、制御器１４、ＰＭＳ２４およびＰＣＳ２６の機能は制御装置に格納されたプログラムによって実現される。

次に、移動体のハイブリッド推進システム１０の運転モードについて説明する。図７（ａ）〜図７（ｅ）は、移動体のハイブリッド推進システム１０の運転モードを示すブロック図である。運転モードは、たとえば、図７（ａ）〜図７（ｅ）に示す５つの態様がある。このうち、図７（ａ）の機械推進モードは、電動発電機１９が停止し、主機１７および主発電機１８がそれぞれ独立して動作する運転モードである。図７（ｂ）〜図７（ｄ）の電気推進モード、推進加勢モード、並列モードは、系統連系運転モードである。図７（ｅ）の軸発モードは、自立運転モードである。また、電気推進モードでは電動発電機１９を回転数制御することが必要であり、推進加勢モード、並列モード、及び軸発モードでは、電動発電機１９を電力制御することが必要である。

図７（ａ）の機械推進モードでは、主機１７が動作し、主発電機１８が動作し、電動発電機１９が停止する。この機械推進モードでは、主機１７が回転動力を減速装置２０を介してプロペラ１１に供給する。主発電機１８は、船内母線２２を介して船内電力負荷２１（図１）に電力を供給する。このように、プロペラ１１の推力は主機１７の回転動力により与えられ、船内電力負荷２１の電力は主発電機１８から与えられる。

図７（ｂ）の電気推進モードでは、主機１７が停止し、主発電機１８が動作し、電動発電機１９が電動動作する。この電気推進モードでは、主発電機１８は、船内母線２２を介して船内電力負荷２１に電力を供給すると共に、電力変換装置２５を介して電動発電機１９に電力を供給する。電動発電機１９は、主発電機１８からの電力を受けて回転動力を発生し、減速装置２０を介してプロペラ１１に回転動力を供給する。このため、プロペラ１１の推力は電動発電機１９の回転動力により与えられる。一般に、電動発電機１９の出力は主機１７の出力より小さく設計されるため、電気推進モードの供給可能推力は図７（ａ）の機械推進モードより小さくなる。

図７（ｃ）の推進加勢モードでは、主機１７が動作し、主発電機１８が動作し、電動発電機１９が電動動作する。この推進加勢モードでは、主発電機１８は、船内母線２２を介して船内電力負荷２１に電力を供給すると共に、電動発電機１９に電力を供給する。電動発電機１９および主機１７は、回転動力を、減速装置２０を介してプロペラ１１に回転動力を供給する。このように、プロペラ１１の推力は主機１７の回転動力に加えて電動発電機１９の回転動力によっても与えられるため、推進加勢モードの供給可能推力は図７（ａ）の機械推進モードより大きくなる。

図７（ｄ）の並列モードでは、主機１７が動作し、主発電機１８が動作し、電動発電機１９が発電動作する。この並列モードでは、主発電機１８は、船内母線２２を介して船内電力負荷２１に電力を供給する。主機１７はプロペラ１１および電動発電機１９に回転動力を供給する。電動発電機１９は、主機１７からの回転動力を受けて発電し、電力を、電力変換装置２５および船内母線２２を介して船内電力負荷２１に供給する。このように、電力は主発電機１８に加えて電動発電機１９からも船内電力負荷２１に与えられるため、並列モードの供給可能電力は図７（ａ）の機械推進モードより大きくなる。

図７（ｅ）の軸発モードでは、主機１７が動作し、主発電機１８が停止し、電動発電機１９が発電動作する。この軸発モードでは、主機１７はプロペラ１１および電動発電機１９に回転動力を供給する。電動発電機１９は、主機１７からの回転動力を受けて発電し、電力を、電力変換装置２５および船内母線２２を介して船内電力負荷２１に供給する。このように、電力は電動発電機１９のみから与えられる。電動発電機１９の出力が主発電機１８の出力より小さく設計されている場合には、軸発モードの供給可能電力は図７（ａ）の機械推進モードより小さくなる。

次に、各運転モードにおける制御方法について説明する。図８は、実施の形態３に係る移動体のハイブリッド推進システム１０の制御器１４を概略的に示すブロック図である。なお、図８では、レートリミッタ１４６が制御器１４に設けられているが、実施の形態１と同様に設けられていなくてもよい。

図７（ｂ）に示す電気推進モードでは、主機１７が停止し、電動発電機１９が電動動作している。この場合、電動発電機１９が動力をプロペラ１１に供給し推進力を得ている。電動発電機１９はプロペラ１１の唯一の動力源であるから、プロペラ１１の速度超過防止のために、電動発電機１９の回転数を制御する必要がある。よって、図８のモード選択部１４４では、回転数制御のモード指令に応じて回転数制御モードが選択される。これにより、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力される。このため、図１１の表に示すように、電気推進モードでは、回転数制御モードに基づいたドループ特性線によって第１電力変換器２５ａがドループ制御される。

ただし、海象条件が静穏な場合、あるいはプロペラ１１の推力が比較的小さな場合など、プロペラ１１の速度超過の恐れがないことが明白な状況では、電気推進モード時に電力制御モードを選択することもできる。一般に、電力制御は回転数制御より電力の変動が小さいため、燃費を改善することができる。この場合は、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力されるようにすればよい。

図７（ｃ）に示す推進加勢モードでは、主機１７が動作し、電動発電機１９が電動動作している。このため、主機１７および電動発電機１９が動力をプロペラ１１に供給し推進力を得ている。このように複数の原動機（主機１７、電動発電機１９）がプロペラ１１の駆動軸に連結されている場合、主機１７および電動発電機１９の両方を回転数制御モードすると、制御が干渉し、過負荷などの問題がある。このため、動力の大きな主機１７を回転数制御し、電動発電機１９を電力制御する。よって、図８のモード選択部１４４では、電力制御のモード指令に応じて電力制御モードが選択される。これにより、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力される。このため、図１１の表に示すように、推進加勢モードでは、電力制御に基づいたドループ特性線によって第１電力変換器２５ａがドループ制御される。

ただし、推進加勢モードにおいて、理論的には主機１７を電力制御し、電動発電機１９を回転数制御することも可能である。この場合は、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力されるようにすればよい。

図７（ｅ）に示す軸発モードでは、電力系統に電力を供給する他の機器が接続されていない。この場合、需要を賄うように、電動発電機１９を電力制御する。このため、図８のモード選択部１４４では、電力制御のモード指令に応じて電力制御モードが選択される。これにより、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力される。このため、図１１の表に示すように、軸発モードでは、電力制御に基づいたドループ特性線によって第１電力変換器２５ａがドループ制御される。

図７（ｄ）に示す並列モードおよび図７（ｅ）に示す軸発モードでは、電力供給が電力需要を満たすようにＰＭＳ２４が各発電設備１８、１９に発電要求を出力する。モード選択部１４４では、電力制御のモード指令としてのＰＭＳ２４からの発電要求に応じて電力制御モードが選択される。そして、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力される。これにより、図１１の表に示すように、並列モードおよび軸発モードでは、電力制御に基づいたドループ特性線によって第１電力変換器２５ａがドループ制御される。

次に、運転モードの遷移時の制御方法について説明する。ハイブリッド推進システム１０の運転モードは、たとえば、運転モードの供給可能能力、燃費および冗長度などにより設定される。たとえば、需要より大きな供給可能能力を有し、燃費が良く、必要な冗長度を満たす運転モードに設定される。このため、最も燃費が良い運転モードに遷移したり、需要を賄う運転モードへ遷移したりする。この運転モードの遷移は、操作者が入力部２９を操作することによって、または、ＰＭＳ２４からの発電要求などに基づいて、実行される。入力部２９が操作された場合、運転モードに対応する電動発電機１９の制御モードのモード指令が入力部２９から制御器１４のモード選択部１４４に入力される。モード選択部１４４は、モード指令に応じて回転数制御モードまたは電力制御モードを選択する。

たとえば、電気推進モードまたは推進加勢モードから並列モードまたは軸発モードに遷移する場合、電動発電機１９は電動動作から発電動作へ動作形態が切り替えられる。この際、図８のモード選択部１４４は、ＰＭＳ２４からの発電要求、または、制御器１４や入力部２９からのモード指令に応じて電力制御モードを選択し、電動発電機１９を発電動作させる。

また、電気推進モードから推進加勢モード、並列モードまたは軸発モードへ遷移する場合、電動発電機１９の制御モードは回転数制御モードから電力制御モードへ切り替えられる。この際、図８のモード選択部１４４は、制御器１４や入力部２９からのモード指令に応じて電力制御モードを選択する。

上記実施の形態によれば、電気推進モードでは回転数制御モードにより電動発電機１９を制御することにより、推進力を制御することができる。

また、推進加勢モードのように複数の原動機がプロペラ１１に動力を供給する場合、主機１７を回転数制御し、電動発電機１９を電力制御している。これにより、過負荷などの問題を防止することができる。

さらに、軸発モードのように発電動作する電動発電機１９により電力が賄われる場合、電動発電機１９を電力制御する。これにより、停電または電動発電機１９の過負荷を防止することができる。また、ＰＭＳ２４から電力要求が出力された場合、電動発電機１９を電力制御する。これにより、停電または電動発電機１９の過負荷を防止することができる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る移動体のハイブリッド推進システム１０では、推進機１１の駆動軸に作用する負荷または推進機１１の回転数の周期的な変動に基づいて、電動発電機１９の制御モードを設定する。

具体的には、制御器１４は、プロペラ１１の駆動軸に作用する荷重、または、プロペラ１１の回転数を適宜なセンサ（図示せず）によって検出し、その周期的な変動分を検出する。通常、船舶が推進するためには、プロペラ１１が荷重を受けながら回転する。ただし、波浪など海象条件が悪い場合、プロペラ１１が海面上に浮上する状態（プロペラレーシング）になる。これにより、プロペラ１１に作用する荷重が低下したり、プロペラ１１の回転数が非常に大きくなったりする。このプロペラレーシングは、船体が揺れることにより、繰り返し起こるため、荷重および回転数は周期的に変動する。

よって、制御器１４は、荷重の周期的な変動分、または、回転数の変動分を検出する。そして、周期的な変動分（変動の振幅）が所定の閾値以上である場合、図８のモード選択部１４４は、回転数制御モードを選択し、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値Ｐｃを選択してドループ制御部１４５へ出力する。これにより、電動発電機１９が回転数制御され、ハイブリッド推進システム１０は電気推進モードで運転される。

これにより、主機１７が停止し、電動発電機１９が電動動作することにより、電動発電機１９がプロペラ１１を回転する。電動発電機１９は回転数制御されるため、プロペラ１１の回転数が一定に維持される。よって、プロペラ１１の速度超過を防止することができる。

（実施の形態５）
実施の形態５に係る移動体のハイブリッド推進システム１０は、推進機１１の駆動軸の回転速度に基づいて、電動発電機１９の制御モードを選択する。図９は、実施の形態５に係る移動体のハイブリッド推進システム１０を概略的に示すブロック図である。

図９に示すように、制御器１４は、推進機１１を駆動する駆動軸の回転速度を回転速度検出器１１ａにより検出する。この回転速度が所定の閾値以上である場合、図８に示すように、モード選択部１４４は、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値Ｐｃを選択してドループ制御部１４５へ出力する。これにより、電動発電機１９が回転数制御されることにより、プロペラ１１の速度超過を防止することができる。ただし、推進加勢モードのように複数の原動機がプロペラ１１に動力を供給する場合、主機１７を回転数制御し、電動発電機１９を電力制御してもよい。

（実施の形態６）
実施の形態６に係る移動体のハイブリッド推進システム１０は、制御モードの切り替え時に、レバー１２からの回転数指令または電力指令を一時的に無効化する。図１０は、実施の形態６に係る移動体のハイブリッド推進システム１０の制御器１４を概略的に示すブロック図である。なお、図１０では、レートリミッタ１４６が制御器１４に設けられているが、実施の形態１と同様に設けられていなくてもよい。

レバー１２は、回転数指令値および電力指令値の入力機器である。電動発電機１９が回転数制御される場合、レバー１２の操作量に基づいて第１電力指令値出力部１４０の回転数指令値生成部１４２が回転数指令値を生成する。電動発電機１９が電力制御される場合、レバー１２の操作量に基づいて第２電力指令値出力部１４１が電力指令値を設定する。ただし、電動発電機１９の制御モードが切り替えられる際、レバー１２から入力された回転数指令および電力指令は一時的に無効化される。

具体的には、たとえば、ハイブリッド推進システム１０の運転モードを電気推進モードへ遷移させる操作が入力部２９になされると、モード指令が入力部２９からモード選択部１４４に入力される。モード選択部１４４は、モード指令に基づいて電力制御モードから回転数制御モードへ切り替える。これにより、モード選択部１４４から出力される電力指令値Ｐｃは、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値から第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値に切り替わる。そして、レバー位置判定部１４７は、第１切換部１４９において“ＮＯ”に設定する。これにより、回転数指令値生成部１４２からの回転数指令値ｎｃがＰＩＤ制御部１４３に入力されないため、レバー１２の操作量に基づく回転数指令値ｎｃの設定が無効化される。

また、第１切換部１４９において“ＮＯ”に設定されると、切り替わる直前の時点における電動発電機１９の回転数の実際値ｎが仮の回転数指令値として、第１メモリ１４８からＰＩＤ制御部１４３に入力される。ＰＩＤ制御部１４３において、仮の回転数指令値と、電動発電機１９からの回転数の実際値との偏差、微分処理および積分処理により仮の電力指令値が生成される。

なお、第１電力指令値出力部１４０が積分要素を備える。これにより、ＰＩＤ制御部１４３の積分処理では、電力制御モードから回転数制御モードに切り替わる場合、仮の電力指令値が、切り替わる直前の時点における実際の対系統授受電力に一致するよう、積分要素に値を設定する。

そして、ドループ制御部１４５は、ＰＩＤ制御部１４３から入力された仮の電力指令値に基づきドループ特性線を設定し、このドループ特性線を用いて第１電力変換器２５ａを制御する。これにより、電力指令値の急激な変化を防止しつつ、ドループ制御が継続する。

このように無効化の間、レバー１２の操作量に基づく回転数指令値ｎｃは、ＰＩＤ制御部１４３へ出力されないが、レバー位置判定部１４７に入力される。そして、レバー位置判定部１４７は、この回転数指令値ｎｃを、第１メモリ１４８の仮の回転数指令値と比較する。そして、回転数指令値ｎｃが、仮の回転数指令値に一致するまで、または、レバー１２が離散的な操作量を与える場合は仮の回転数指令値に最も近い値になるまで、レバー１２が操作されると、レバー位置判定部１４７は第１切換部１４９において“ＹＥＳ”に設定する。これにより、回転数指令値生成部１４２からの回転数指令値ｎｃがＰＩＤ制御部１４３に入力され、レバー１２の無効化が解除される。

一方、ハイブリッド推進システム１０の運転モードを電気推進モードから遷移させる操作が入力部２９になされると、モード指令が入力部２９からモード選択部１４４へ出力される。モード選択部１４４は、モード指令に基づいて回転数制御モードから電力制御モードへ切り替える。これにより、モード選択部１４４から出力される電力指令値Ｐｃが、第１電力指令値出力部１４０からの電力指令値から第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値に切り替わる。そして、レバー位置判定部１４７は、第２切換部１５１において“ＮＯ”に設定する。これにより、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力されないため、レバー１２の操作量による電力指令値Ｐｃの設定が無効化される。

また、第２切換部１５１において“ＮＯ”に設定されると、切り替わる直前の時点における対系統授受電力の実際値Ｐが仮の電力指令値として、第２メモリ１５０からドループ制御部１４５に入力される。これにより、この仮の電力指令値Ｐｃに基づきドループ特性線が設定され、ドループ特性線を用いて第１電力変換器２５ａが制御されて、電力指令値の急激な変化を防止しつつ、ドループ制御が継続する。

このように無効化の間、レバー１２の操作量に基づく電力指令値Ｐｃは、ドループ制御部１４５へ出力されないが、レバー位置判定部１４７に入力される。そして、レバー位置判定部１４７は、この電力指令値Ｐｃと、第２メモリ１５０の仮の電力指令値とを比較する。電力指令値Ｐｃが仮の電力指令値に一致するまで、または、レバー１２が離散的な操作量を与える場合は仮の電力指令値に最も近い値になるまで、レバー１２が操作されると、レバー位置判定部１４７は第２切換部１５１において“ＹＥＳ”に設定する。これにより、第２電力指令値出力部１４１からの電力指令値Ｐｃがドループ制御部１４５に入力されて、レバー１２の無効化が解除される。

上記構成によれば、回転数指令値の入力および電力指令値の入力に共通のレバー１２が用いられた。これにより、ハイブリッド推進システム１０の運転モードや電動発電機１９の制御モードに応じて操作者はレバー１２を変更することなく、１つのレバー１２で操作することができる。

また、電動発電機１９の制御モードの切り替え時にレバー１２が無効化される。これにより、操作者が意図しない指令値が入力されることを防止することができる。

なお、図１０に示すように、移動体のハイブリッド推進システム１０は操作卓２３に設けられた表示部２８をさらに備えていてもよい。この場合、レバー１２が無効化されている間、この無効化の情報が表示部２８に表示される。これにより、レバー１２が無効化されていることを操作者に知らせることができる。

また、電動発電機１９だけでなく、原動機（主機１７）の回転数指令または燃料供給量指令を入力する機器として、レバー１２を用いることもできる。たとえば、レバー１２の操作領域を停止位置から近い順に第一の部分、第二の部分、第三の部分に分けることができる。レバー１２が第一の部分にある場合は電気推進モードとし、電動発電機１９を回転数制御モードまたは電力制御モードで電動させる。レバー１２が第二の部分にある場合は並列モードとし、主機１７を回転数制御または燃料供給量制御し、電動発電機１９を電力制御モードで発電させる。レバー１２が第三の部分にある場合は推進加勢モードとし、主機１７を回転数制御または燃料供給量制御し、電動発電機１９を電力制御モードで電動させる。

これにより、レバー１２の操作位置を停止位置から遠ざけるほど、プロペラ推力は大きくなり、また、推力に応じて必要なモード遷移が同時に行われる。このため、操作者の操作性に優れる。

また、プロペラ１１の翼角（ピッチ）を入力する機器としてレバー１２を用いることもできる。このプロペラ１１は、可変ピッチプロペラ(CPP)１１である。また、原動機（主機１７）の回転数は所定値に設定されている。また、レバー１２の操作量とプロペラ１１の翼角との関係は予め定められている。この所定の関係に基づいて、操作者によるレバー１２の操作量に応じたプロペラ１１の翼角が求められる。そして、翼角がピッチ角調整機構（図示せず）に出力されて、プロペラ１１の翼角が制御される。このように、レバー１２によって、プロペラ１１の翼角も設定することができるため、操作者の操作性に優れる。

また、原動機（主機１７）の回転数指令値およびプロペラ１１の翼角（ピッチ）を入力する機器としてレバー１２を用いることもできる。このプロペラ１１は、可変ピッチプロペラ１１である。また、レバー１２の操作量と原動機の回転数およびプロペラ１１の翼角との関係（コンビネーションカーブ）は予め定められている。この所定のコンビネーションカーブに基づいて、レバー１２の操作量に応じた原動機の回転数およびプロペラ１１の翼角が求められる。そして、翼角がピッチ角調整機構に出力されて、プロペラ１１の翼角が制御される。また、回転数指令値によって、原動機の回転数を制御する。このように、レバー１２によって、原動機の回転数およびプロペラ１１の翼角を同時に設定することができるため、効率の良い回転数および翼角を保った状態でハイブリッド推進システム１０を制御することができる。

なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の移動体のハイブリッド推進システムは、双方向電力変換装置２５の制御をシームレスに切替可能な移動体のハイブリッド推進システム等として有用である。

１０ ハイブリッド推進システム
１１ プロペラ（推進機）
１４ 制御器
１７ 主機
１８ 主発電機（電力系統）
１９ 電動発電機
２５ 電力変換装置
２５ａ 第１電力変換器
２５ｂ 第２電力変換器
１４０ 第１電力指令値出力部
１４１ 第２電力指令値出力部
１４４ モード選択部
１４５ ドループ制御部

Claims (20)

1. 移動体を推進する推進機を回転力によって駆動する駆動軸に動力伝達可能に接続された電動発電機と、
   交流端が電力系統に接続され且つ直流端が直流中間部に接続された第１電力変換器と、
   直流端が前記直流中間部に接続され且つ交流端が前記電動発電機に接続された第２電力変換器と、
   回転数指令値を設定可能であり、設定された回転数指令値に対する前記電動発電機の回転数の偏差に基づいて電力指令値を出力する第１電力指令値出力部と、
   電力指令値を設定可能であり、設定された電力指令値を出力する第２電力指令値出力部と、
   前記第１電力指令値出力部からの電力指令値と前記第２電力指令値出力部からの電力指令値とを選択して出力するモード選択部と、
   前記モード選択部から出力される電力指令値に基づいて前記第１電力変換器をドループ制御するドループ制御部と、
   前記直流中間部の電圧が一定になるように前記第２電力変換器を制御するよう構成された第２電力変換器制御部と、を備え、
   前記ドループ制御部は、前記電力指令値に基づいて、前記電力系統の周波数と前記第１電力変換器が前記電力系統に対し授与又は受給する前記電動発電機の発電電力又は電動電力（以下、対系統授受電力という）とが、前記電力系統の周波数目標値と前記対系統授受電力の目標値との関係を示すドループ特性線上の一点となるように制御するよう構成されている、移動体のハイブリッド推進システム。
2. 前記ドループ特性線は、前記電力系統の標準周波数に対しては電力指令値に設定し、前記標準周波数より高い周波数に対しては電力指令値より小さい前記電動発電機の発電電力又は電力指令値より大きい電動電力に設定し、前記標準周波数より低い周波数に対しては電力指令値より大きい前記電動発電機の発電電力又は電力指令値より小さい電動電力に設定される、請求項１に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
3. 前記ドループ制御部は、前記電力系統の周波数を、実際の前記対系統授受電力と前記ドループ特性線とから求まる周波数になるように制御するよう構成されている、請求項１または２に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
4. 前記ドループ制御部は、前記対系統授受電力を、実際の前記電力系統の周波数と前記ドループ特性線とから求まる前記対系統授受電力になるように制御するよう構成されている、請求項１または２に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
5. 前記モード選択部から出力される電力指令値が、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値と前記第２電力指令値出力部からの電力指令値との間で切り替わる場合、前記ドループ制御部に入力される前記電力指令値が連続的に変化するように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
6. 前記モード選択部から出力される前記電力指令値を、その変化を制限して前記ドループ制御部に入力するレートリミッタをさらに備える、請求項５に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
7. 前記推進機を駆動する前記駆動軸に動力伝達可能に接続された原動機をさらに備え、
   前記原動機が動作し且つ回転数制御される場合、前記モード選択部は、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
8. 前記電力系統に電力を供給する他の機器が接続されていない場合、前記モード選択部は、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
9. 前記移動体は、電力供給が電力需要を満たすように各発電設備に発電要求を出力するパワマネジメントシステムを有し、
   前記モード選択部は、前記パワマネジメントシステムから前記発電要求を受けた場合は、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するよう構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
10. 前記推進機を駆動する前記駆動軸に作用する負荷または前記推進機の回転数の周期的な変動分を検出し、前記変動の振幅が所定の閾値以上である場合、前記モード選択部は、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
11. 前記推進機を駆動する前記駆動軸の回転速度を検出し、前記回転速度が所定の閾値以上である場合、前記モード選択部は、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値を選択して出力するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
12. レバーをさらに備え、
    前記第１電力指令値出力部は、前記レバーの操作量に基づいて前記回転数指令値を設定し、
    前記第２電力指令値出力部は、前記レバーの操作量に基づいて前記電力指令値を設定するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
13. 前記モード選択部から出力される電力指令値が、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値と前記第２電力指令値出力部からの電力指令値との間で切り替わる場合、前記レバーの操作による前記回転数指令値または前記電力指令値の設定を無効化し、
    前記切り替わる直前の時点における実際の前記電動発電機の回転数を仮の回転数指令値に設定し、前記レバーの操作量に対応する前記第１電力指令値出力部からの前記回転数指令値が、前記仮の回転数指令値に一致するまで、または、レバーが離散的な操作量を与える場合は前記仮の回転数指令値に最も近い値に対応する操作量となる位置まで、前記レバーが操作された時点で前記無効化を解除する、または、
    前記切り替わる直前の時点における実際の前記対系統授受電力を仮の電力指令値に設定し、前記レバーの操作量に対応する前記第２電力指令値出力部からの電力指令値が、前記仮の電力指令値に一致するまで、または、レバーが離散的な操作量を与える場合は前記仮の電力指令値に最も近い値に対応する操作量となる位置まで、前記レバーが操作された時点で前記無効化を解除するよう構成されている、請求項１２に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
14. 第１電力指令値出力部が積分要素を備え、前記モード選択部から出力される電力指令値が、前記第２電力指令値出力部からの電力指令値から前記第１電力指令値出力部からの電力指令値に切り替わる場合、前記第１電力指令値出力部からの電力指令値が前記切り替わる直前の時点における実際の前記対系統授受電力に一致するよう、前記積分要素の値を設定するように構成されている、請求項１３に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
15. 表示部をさらに備え、
    前記レバーの操作による前記回転数指令値または前記電力指令値の設定が無効化されている間、当該無効化を前記表示部に表示するように構成されている、請求項１３または１４に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
16. 前記移動体が船舶である、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
17. 前記レバーは、前記駆動軸に動力伝達可能に接続された原動機の回転数指令または燃料供給量指令をさらに兼ねている、請求項１６に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
18. 前記推進機は可変ピッチプロペラであり、
    前記レバーは、前記可変ピッチプロペラの翼角指令をさらに兼ねている、請求項１６に記載の移動体用のハイブリッド推進システム。
19. 前記推進機は可変ピッチプロペラであり、
    前記レバーは、前記駆動軸に動力伝達可能に接続された原動機の回転数指令と前記可変ピッチプロペラの翼角指令とを、所定のコンビネーションカーブに沿って同時に指令する機能をさらに兼ねている、請求項１６に記載の移動体のハイブリッド推進システム。
20. 移動体を推進する推進機を回転力によって駆動する駆動軸に動力伝達可能に接続された電動発電機と、
    交流端が電力系統に接続され且つ直流端が直流中間部に接続された第１電力変換器と、
    直流端が前記直流中間部に接続され且つ交流端が前記電動発電機に接続された第２電力変換器と、を備える移動体のハイブリッド推進システムの制御方法であって、
    回転数指令値を設定し、設定された回転数指令値に対する前記電動発電機の回転数の偏差に基づいて電力指令値を出力する第１電力指令値出力ステップと、
    電力指令値を設定し、設定された電力指令値を出力する第２電力指令値出力ステップと、
    前記第１電力指令値出力ステップの電力指令値と前記第２電力指令値出力ステップの電力指令値とを選択して出力するモード選択ステップと、
    前記モード選択ステップによって出力される電力指令値に基づいて前記第１電力変換器をドループ制御するドループ制御ステップと、
    前記直流中間部の電圧が一定になるように前記第２電力変換器を制御する第２電力変換器制御ステップとを含み、
    前記ドループ制御ステップにおいて、前記電力指令値に基づいて、前記電力系統の周波数と前記第１電力変換器が前記電力系統に対し授与又は受給する前記電動発電機の発電電力又は電動電力（以下、対系統授受電力という）が、前記電力系統の周波数目標値と前記対系統授受電力の目標値との関係を示すドループ特性線上の一点となるように制御する、移動体のハイブリッド推進システムの制御方法。

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