JP5569742B2 - 船舶電力システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池に貯めた電力を利用して船舶を推進する船舶電力システムに関するものである。

船舶の推進用プロペラを駆動する電動機をインバータにより制御する船舶電力システムにおいては、一般に推進用電動機を駆動制御するインバータとは別に荷役用などの非推進用電動機を駆動制御する小容量インバータを設け、これらのインバータにより推進用電動機と非推進用電動機をそれぞれ個別に駆動制御する方式が検討されていた。

しかしながら、このような船舶電力システムでは、電動機ごとに推進用インバータと複数の非推進用インバータを個別に設ける必要があることから、インバータ制御装置の総容量が大きくなり、イニシャルコストが高くなる問題があった。

そこで、特許文献１および特許文献２に記載されているように、推進用電動機として多巻線電動機を採用し、推進用および非推進用を含む複数のインバータにより多巻線電動機を駆動制御する、いわゆる多重インバータ統合制御システムが提案されている。

この方式においては、全てのインバータを推進用に使用して多巻線電動機を駆動制御したり、また、あるインバータについては、多巻線電動機の多重インバータ統合制御から切り離して停止させたり、または個別に荷役用等の非推進用電動機を駆動制御したりすることにより、インバータ制御装置の総容量を低減することができるとともに複数のインバータを効率よく使用できる利点がある。

また近年、船舶の排出する温室効果ガスを削減するために、船舶内に蓄電池を設け、港に停泊しているときに陸上電源から船舶内の蓄電池に充電し、出航時には陸上電源を切り離し、その貯めた蓄電池の電力によって船舶を航行させる船舶電力船の検討が行なわれている。

このような蓄電池電力の利用と多重インバータ統合制御システムとを組み合わせた船舶電力システムの一例として図５に示すものが考えられている。図５において、船舶推進用の電動機１は、多巻線電動機で構成され、各巻線にそれぞれインバータ制御装置２，３が接続されて駆動制御される。

各インバータ制御装置２，３には、それぞれフィルタ４Ａ，４Ｂ、トランス５Ａ，５Ｂ、インバータ６Ａ，６Ｂ、推進用インバータ７Ａ，推進用と非推進用を兼用するインバータ７Ｂに加え、インバータ６Ａ，６Ｂとインバータ７Ａ,７Ｂ間に蓄電池８Ａ，８Ｂが接続されるようになっており、インバータ７Ａ,７Ｂの出力側がスイッチ９Ａ，９Ｂを介して推進用電動機１に接続されている。

各インバータ制御装置２，３のうち、少なくとも一つのインバータ制御装置３の出力側には、スイッチ１０を介して非推進用電動機１１が接続可能になっている。

各インバータ制御装置２，３は、船内母線１２に接続されている。この船内母線１２は、スイッチ１３を介して陸上電源１４に接続できるようになっており、船舶が港に停泊しているときに陸上電源１４に接続され、スイッチ９Ａ,９Ｂ,１０をオフにして蓄電池８Ａ，８Ｂに充電ができるようになっている。

そして出航時には陸上電源を切り離し、この蓄電池８Ａ，８Ｂに溜めた電力により、推進用電動機１および非推進用電動機１１を駆動制御し、またスイッチ１５を介して船内母線１２に接続された船内負荷１６に電力を供給するようになっている。

図６は、蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態とインバータ６Ａ，６Ｂ、７Ａ，７Ｂの出力との関係を示すタイムチャートである。図６において、船舶が港に停泊しているときに、陸上電源１４によりフィルタ４Ａ，４Ｂ、トランス５Ａ，５Ｂ、インバータ６Ａ，６Ｂを介して蓄電池８Ａ，８Ｂが充電されると、接岸時の充電モード（ａ）区間に示すように、充電量（放電できる電力量）が徐々に増加する。

次に船舶が出港するときには、陸上電源１４が切り離され、蓄電池８Ａ，８Ｂから電力を供給して推進用インバータ７Ａおよび推進、非推進兼用インバータ７Ｂを介して推進用電動機１を駆動制御したり、また船内負荷１６に電力を供給したりするので、推進モード（ｂ）区間に示すように、蓄電池８Ａ，８Ｂの放電できる電力量が徐々に減少する。

そして例えば、石油化学製品または液体化学製品を輸送するケミカルタンカーにおいて、船舶を航行させながらタンク内のクリーニングを行ないたい場合のように、航行中に非推進用電動機１１を駆動させたい場合には、スイッチ９Ｂをオフ、スイッチ１０をオンさせて、インバータ７Ｂを介して非推進用電動機１１を駆動することになる。

このときの蓄電池８Ａ，８Ｂの放電できる電力量は、図６の非推進負荷併用モード（ｃ）区間に示すように、容量の大きい推進用電動機１側のインバータ７Ａと容量の小さい非推進用電動機１１側のインバータ７Ｂとで電力消費が異なるため，蓄電池８Ａの放電できる電力量は蓄電池８Ｂのそれよりも早く減ることになる。

したがって、その後、非推進負荷併用モード（ｃ）が終了して推進モードに移行した際に、推進モード（ｄ）区間で蓄電池８Ａの放電がなくなり、充電量が残存する蓄電池８Ｂの放電により、目的地までの推進モード（ｅ）区間の推進が行なわれることになる。

特開２００９−５４９３号公報 特開２００８−１１７８号公報

このように、従来の方式では船舶の航行中に非推進用電動機１１の駆動制御を行うと、各蓄電池８Ａ，８Ｂの放電量が異なることになり、充電状態に差が出てくるため、推進モード（ｅ）区間に示すように、充電状態が低い蓄電池８Ａが先に放電を終了し、蓄電池８Ｂからのみ推進用電動機１に電力を供給することになる。

この状態で船舶を推進させると、推進モード（ｅ）区間においては、電力を有する方の蓄電池８Ｂしか推進用電動機１に電力の供給ができないため、船舶の推進力が半減し、推進モード（ｅ）区間は、船舶の航行速度を落とさざるを得なくなる。

また、蓄電池８Ｂが推進モード（ｅ）区間において、目的地まで定格速度で推進し得る電力を有しているにも関わらず、推進力が半減した状態で運航するため、陸上電源で充電した電力を有効に活用できていない問題もある。

これらの不都合を解消するために、より大容量の電池を設置すれば、推進モード（ｅ）区間において、定格速度での運行が可能となるが、大容量の蓄電池を設置するために多くの設置スペースが必要となるため、コストアップになったり、積荷のスペースが狭くなったりする問題がある。

本発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、コストアップや設置スペースの増加を招くことなく、外部の電源で充電した複数の蓄電池の電力をほぼ等しく使用して各蓄電池を効率よく使用できるようにした船舶電力システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明による船舶電力システムは、複数の固定子巻線を有する多巻線電動機と、蓄電池に接続され、一方は第１インバータを介して前記多巻線電動機の固定子巻線の内の１つを電力制御し、他方は第２インバータを介して船内負荷へ供給する電力の一部を分担制御するインバータ装置を多巻線電動機の固定子巻線数分だけ複数設け、この複数のインバータ装置で前記船内負荷に電力供給すると共に多巻線電動機を駆動したり、或いはスイッチを介して複数のインバータ装置の一部を多巻線電動機の巻線から切離し、その切離したインバータ装置で他の非推進用電動機を駆動するよう構成した船舶電力システムにおいて、前記各インバータ装置に第１のインバータの出力電力を検出する電力検出器を設け、各電力検出器で検出した電力の偏差に応じて前記船内負荷へ電力供給する前記各インバータ装置の第２のインバータの電力量を分担制御することにより、各インバータ装置に配置されている蓄電池の充電状態がほぼ等しくなるよう制御する制御装置を備えたことを特徴とする船舶電力システムにある。

本発明による船舶電力システムによれば、船舶の航行時に非推進用電動機の使用により、各蓄電池の放電量が一時的に異なっても制御装置が船内母線側へのインバータ制御装置の出力電力を調整するので、各蓄電池の充電状態をほぼ等しい状態に維持することができる。

その結果、外部の電源で充電した複数の蓄電池の電力をほぼ等しく使用して各蓄電池を効率よく使用できるようになり、蓄電池の容量を増大させる必要がないので、コストアップや設置スペースの増加を招くことがない。

本発明による船舶電力システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。 図１に示す制御装置の制御動作を説明するための回路構成図である。 図１に示す制御装置における負荷分担処理部の処理を示すフローチャートである。 図１に示す船舶電力システムにおける蓄電池の充電状態およびインバータの出力の関係を示すタイムチャートである。 従来の船舶電力システムの一例を示すシステム構成図である。 図５に示す船舶電力システムにおける蓄電池の充電状態とインバータの出力との関係を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明による船舶電力システムの一実施の形態を示すシステム構成図であり、図５と同一部分には同一符号を付している。

図１において、本実施の形態は、各蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態を監視し、インバータ６Ａ，６Ｂの船内母線１２側への出力電力を制御する制御装置１８を設けたところに特徴を有する。

船舶を推進する推進用電動機１は、２本以上の素線を巻回してなる固定子巻線分割型の多巻線電動機で構成され、各巻線にそれぞれインバータ制御装置２２，２３が接続されて駆動制御される。

各インバータ制御装置２２，２３は、それぞれフィルタ４Ａ，４Ｂ、トランス５Ａ，５Ｂ、インバータ６Ａ，６Ｂ、推進用インバータ７Ａおよび推進用と非推進用を兼用するインバータ７Ｂを備え、インバータ６Ａ，６Ｂとインバータ７Ａ，７Ｂ間にはインバータ６Ａ，６Ｂを介して外部電源から充電される蓄電池８Ａ，８Ｂが接続され、インバータ７Ａ，７Ｂ、スイッチ９Ａ，９Ｂを介して推進用電動機１に接続されている。すなわちインバータ７Ａ、７Ｂは多巻線電動機の各１巻線に接続されている。

各インバータ制御装置２２，２３のうち、少なくとも一つのインバータ制御装置２３の出力側には、スイッチ１０を介して荷役用などの非推進用電動機１１が接続されている。

各インバータ制御装置２２，２３は、船内母線１２に接続されている。この船内母線１２は、スイッチ１３を介して外部電源（陸上電源または海上発電船など）に接続できるようになっており、船舶が港に停泊しているときに陸上電源に接続され、スイッチ９Ａ，９Ｂ，１０をオフにして蓄電池８Ａ，８Ｂに充電することができるようになっている。

そしてこの充電された電力を利用し、推進用インバータ７Ａ，７Ｂにより周波数変換して推進用電動機１および非推進用電動機１１を駆動制御し、またインバータ６Ａ，６Ｂにより蓄電池８Ａ，８Ｂの直流を交流に変換し、トランス５Ａ，５Ｂにより出力電圧を変換し、フィルタ４Ａ，４Ｂにより波形成形して船内母線１２およびスイッチ１５を介して船内母線１２に接続された船内負荷１６例えば通信設備、照明、冷暖房、生活消費などに電力を供給するようになっている。

各インバータ制御装置２２，２３に対応する蓄電池８Ａ，８Ｂには、蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態を監視するため、出力電流や出力電圧を検出するセンサ１７Ａ，１７Ｂが設けられており、それぞれのセンサ１７Ａ，１７Ｂによる検出値は、矢印で示すように制御装置１８に導かれ、この制御装置１８で各インバータ制御装置２２，２３におけるインバータ６Ａ，６Ｂの船内母線１２側へ給電する出力電力を調整して各蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態がほぼ等しくなるように制御するようになっている。

なお、蓄電池８Ａ，８Ｂには、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、鉛電池などのほか、電気二重層キャパシタなどを使用することができる。

電力検出器２０Ａ，２０Ｂはそれぞれインバータ７Ａ，７Ｂの出力電力を検出し制御装置１８に出力する。また、電力検出器２０Ｃは船内負荷１６の消費電力を検出して制御装置１８に出力する。

図２は、制御装置１８の制御動作を説明するための回路構成図である。図２において、蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態（％）と電池容量（ｋＷｈ）を乗算することで、各蓄電池８Ａ，８Ｂの放電できる電力量（ｋＷｈ）を求めることができる。ここからそれぞれの蓄電池８Ａ，８Ｂの放電できる電力量の差Ｓ（ｋＷｈ）を算出し、負荷分担処理部１９に入力する。

負荷分担処理部１９は、船内負荷１６の消費電力Ｐ（ｋＷ），インバータ７Ａの出力電力Ｐ_７Ａ，インバータ７Ｂの出力電力Ｐ_７Ｂを基にインバータ６Ａ，６Ｂの出力電力Ｐ_１，Ｐ_２を調整することで、各蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態を一致またはほぼ等しくなるように制御する。

図３は、制御装置１８における負荷分担処理部１９の処理を示すフローチャートである。まずステップＳ１において、蓄電池８Ａと蓄電池８Ｂが放電できる電力量の差Ｓを所定値ａと比較する。ａの値としては０に近い小さい値（例えば，電池容量の１％程度）とする。小さい値の方が微細な調整がやりやすい。｜Ｓ｜＜ａのときはステップＳ７へ移行し、インバータ６Ａ，６Ｂの出力電力Ｐ１，Ｐ２を等しくする。

｜Ｓ｜≧ａのとき、ステップＳ２へ移行する。

ステップＳ２では，インバータ６Ａ，６Ｂの出力電力Ｐ_１，Ｐ_２を演算する。インバータ６Ａ，６Ｂの出力電力Ｐ_１，Ｐ_２は、次の（１）式を満足させる。

Ｐ＝Ｐ_１＋Ｐ_２ ………（１）
次式により出力補正量Ｂ（ｋＷ）を定める。

Ｂ＝Ｐ_７Ｂ−Ｐ_７Ａ ………（２）
（１）式と（２）式より出力電圧Ｐ_１，Ｐ_２は、それぞれについて下記となる。

Ｐ_１＝（Ｐ＋Ｂ）／２ ………（３）
Ｐ_２＝（Ｐ−Ｂ）／２ ………（４）
（３）式と（４）式でインバータ６Ａ，６Ｂの出力電力Ｐ_１，Ｐ_２を算出する。

上記に記述した処理を繰り返し行なうことで、蓄電池８Ａ，８Ｂから出力される電力はいずれも（Ｐ＋Ｐ_７Ａ＋Ｐ_７Ｂ）／２で等しくなるので，蓄電池８Ａ，８Ｂの有する電力量の差Ｓ（ｋＷｈ）が０に近い値となるように制御することができる。

図４は、図１に示す船舶電力システムにおける蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態およびインバータ６Ａ，６Ｂおよび７Ａ，７Ｂの出力の関係を示すタイムチャートである。図４において、接岸時の充電モード（ａ）区間から推進モード（ｂ）区間までの各蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態は、従来と同様の挙動を示している。

その後、非推進用電動機１１を駆動する非推進負荷併用モード（ｃ１）区間に移行すると、スイッチ９Ｂから１０に切り替わりインバータ装置７Ｂは非推進用電動機１１を駆動する。これによりインバータ７Ａ，７Ｂの出力電力が異なることになり，蓄電池８Ａ，８Ｂの放電量が異なり，図４に示す充電容量残量Ｓ_８ＡとＳ_８Ｂに差が生じることになるが、図１に示す制御装置１８が図２および図３の処理を行った結果、｜Ｓ｜≧ａとなったタイミング（（ｃ２）区間の始まり）からインバータ６Ａ，６Ｂの出力電力を補正して制御することで、蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態をほぼ等しい状態に維持することができるようになる。

その結果、推進モード（ｄ）区間に移行しても蓄電池８Ａ，８Ｂの充電状態は、ほぼ等しい状態に維持されて電力が供給されることになるので、陸上電源で充電した複数の蓄電池８Ａ，８Ｂの電力をほぼ等しく使用して各蓄電池８Ａ，８Ｂを効率よく使用できるようになり、蓄電池の容量を増大させる必要がないので、コストアップや設置スペースの増加を招くことがない。

なお上記実施形態では、インバータ装置２３のみを非推進用電動機の駆動に用いたが、両インバータ装置２２,２３でそれぞれの非推進用電動機を駆動可能にすることもできる。

１…推進用電動機（多巻線電動機）
２，３，２２，２３…インバータ制御装置
４Ａ，４Ｂ…フィルタ
５Ａ，５Ｂ…トランス
６Ａ，６Ｂ…インバータ（第２のインバータ）
７Ａ…推進用インバータ（第１のインバータ）
７Ｂ…推進用と非推進用を兼用するインバータ（第１のインバータ）
８Ａ，８Ｂ…蓄電池
９Ａ，９Ｂ，１０，１３，１５…スイッチ
１１…非推進用電動機
１２…船内母線
１４…陸上電源
１６…船内負荷
１７Ａ，１７Ｂ…センサ
１８…制御装置
１９…負荷分担処理部
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…電力検出器

Claims (3)

1. 複数の固定子巻線を有する多巻線電動機と、蓄電池に接続され、一方は第１インバータを介して前記多巻線電動機の固定子巻線の内の１つを電力制御し、他方は第２インバータを介して船内負荷へ供給する電力の一部を分担制御するインバータ装置を多巻線電動機の固定子巻線数分だけ複数設け、この複数のインバータ装置で前記船内負荷に電力供給すると共に多巻線電動機を駆動したり、或いはスイッチを介して複数のインバータ装置の一部を多巻線電動機の巻線から切離し、その切離したインバータ装置で他の非推進用電動機を駆動するよう構成した船舶電力システムにおいて、
   前記各インバータ装置に第１のインバータの出力電力を検出する第１の電力検出器を設け、各電力検出器で検出した電力の偏差に応じて前記船内負荷へ電力供給する前記各インバータ装置の第２のインバータの電力量を分担制御することにより、各インバータ装置に配置されている蓄電池の充電状態がほぼ等しくなるよう制御する制御装置を備えたことを特徴とする船舶電力システム。
2. 少なくとも１つの前記インバータ装置がスイッチの切換えにより前記非推進用電動機に給電している期間に、前記第１のインバータの前記推進用電動機に給電する出力電力と前記非推進用電動機に給電する出力電力を比較し、出力電力が小さいほうのインバータ装置の第２のインバータの出力電力を他のインバータ装置の第２のインバータの出力電力に対して増加させ、出力電力が大きいほうのインバータ装置の第２のインバータの出力電力を他のインバータ装置の第２のインバータの出力電力に対して減少させてなる請求項１記載の船舶電力システム。
3. 多巻線電動機の固定子巻線およびインバータ装置が２つの場合であって、
   前記各インバータ装置に第２のインバータの出力電力を検出する第２の電力検出器を設け、検出した電力の加算値の１／２に前記第１の電力検出器で検出した電力の偏差値の１／２を加算および減算して加算値および減算値を演算すると共に、前記第１の電力検出器で検出される推進用電動機の電力と非推進電動機の電力とを比較し、前記推進用電動機の電力の方が大きい場合は、推進用電動機側の第２のインバータの出力電力を前記減算値となるよう制御すると共に、前記非推進用電動機側の第２のインバータの出力電力を前記加算値となるよう制御し、逆に前記推進用電動機の電力の方が小さい場合は、前記推進用電動機側の第２のインバータの出力電力を前記加算値となるよう制御すると共に、前記非推進用電動機側の第２のインバータの出力電力を前記減算値となるよう制御してなる請求項１または２記載の船舶電力システム。

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