JP6697218B2 - 船舶の推進システム - Google Patents

Description

本発明は、船舶の推進システムに関する。

従来、電動発電機を有する船舶推進システムにおいて主機の負荷変動抑制を目的とした技術として、特許文献１には、プロペラに加わる負荷トルクを検出し、検出した負荷トルクに基づいて、電動発電機の電力を制御する技術が開示されている。また、特許文献２には、主機とプロペラを接続する軸に加わる負荷トルクを、軸の歪み量又は回転数に従って演算し、演算した負荷トルクに基づいて、電動発電機の電力を制御する技術が開示されている。

特開２０１０−２４１１６０号公報 特開２０１３−５２７０４号公報

上述の電動発電機を有する船舶推進システムを備える船舶、すなわち、軸発電機を持つ機械推進船又はハイブリッド船では、主機は回転数制御され、主機と可変ピッチプロペラが機械的に接続されており、主機を一定回転数指令で駆動しつつ可変ピッチプロペラの翼角指令を変化させる、又は、回転数指令と翼角指令をコンビネータカーブに従って同時に変化させることにより船速を調整することが一般的である。ところで、可変ピッチプロペラの翼角の変更は、主機の負荷変動の主要な要因である。船舶の燃費低減には、主機の負荷変動を抑制して、翼角指令の変化に伴う燃料供給量の変化を緩やかにすることが重要である。

しかし、上記従来の技術では、軸の負荷又は回転数の検出後、制御器が電動発電機電力を演算し、電動発電機がトルクを出力するまでには時間遅れが生じる。一方で、主機の回転数制御は、回転数の検出後直ちに燃料供給量指令を変化させるため、燃料供給量指令の変化に遅れて電動発電機による負荷変動補償が起こるので、効果は限定的なものとなる。

このような課題は、発電機及び電動機の一方又は双方の機能を備えた電動発電機を持つ船舶の推進システムで共通する課題である。

そこで、本発明は、電動発電機を有する船舶の推進システムにおいて主機の負荷変動を抑制し、燃費を改善することを目的とする。

本発明の一態様に係る、船舶の推進システムは、主機回転数指令値に従って回転数制御される主機と、主発電機と、電動発電機と、船内母線と、翼角指令値に従って翼角制御される可変ピッチプロペラと、を備え、前記可変ピッチプロペラは前記主機と前記電動発電機とに機械的に接続され、前記船内母線は前記主発電機と前記電動発電機とに電気的に接続されている船舶の推進システムであって、前記翼角指令値に基づいて当該翼角指令値が増加方向に変化している最中には発電電力が減少又は電動電力が増加するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算し、前記翼角指令値に基づいて当該翼角指令値が減少方向に変化している最中には発電電力が増加又は電動電力が減少するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算する電力補正器と、前記電力補正指令値に従って、前記電動発電機を制御する電動発電機制御器と、を備える。

上記構成によれば、入力された主機回転数指令値に従って主機が回転数制御され、入力された可変ピッチプロペラの翼角指令に従って、可変ピッチプロペラの翼角が翼角制御される。従って、翼角指令値の増加又は減少に応じて可変ピッチプロペラの負荷が増加または減少する。翼角指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機を制御するので、主機の負荷の増加速度は可変ピッチプロペラの負荷の増加速度よりも緩和される。一方、翼角指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機を制御するので主機の負荷の減少速度は可変ピッチプロペラの負荷の減少速度よりも緩和される。これにより、主機の負荷変動を抑制することができるので、主機に供給される燃料供給量の変化が小さくなって、燃費が改善する。

従来例のように可変ピッチプロペラの駆動軸に加わる負荷トルクを検出し、検出した負荷トルクに基づいて電動発電機を制御する構成であると、電動発電機による負荷変動補償が主機の回転数制御より遅れてしまい、効果が限定的なものになる。一方、翼角指令値の変更から軸の負荷変動の発生までには、翼角を操作する油圧系統（アクチュエータ）及び流体力の伝達に要する時間に起因する大きな遅れ時間がある。上記構成によれば、翼角指令値の変動に応じて電動発電機を制御するので、上記の大きな遅れ時間の分だけ制御時間に余裕があるから、電動発電機による負荷変動補償が主機の回転数制御より遅れることはなく、上記従来技術よりも補償の性能が改善する。

また、従来技術の負荷及び歪み量を用いる方法では、負荷計や歪みセンサ等の追加の装置が必要となるが、上記構成によれば、追加の装置を必要としない。

上記船舶の推進システムにおいて、前記電力補正器が、前記主機回転数指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算し、前記主機回転数指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するよう、電動発電機の電力補正指令値を演算してもよい。

主機の負荷は、主機回転数の増加または減少に応じて増加または減少する。上記構成によれば、主機回転数指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機を制御するので、主機の負荷の増加速度が緩和される。一方、主機回転数指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機を制御するので、主機の負荷の減少速度が緩和される。このように、翼角指令値だけでなく、主機回転数指令値の変動に応じて電動発電機の動作を制御することにより、主機の負荷変動を抑制することができるので、主機回転数が回転数指令値により近づき、主機に供給される燃料供給量の変化が小さくなって、燃費が更に向上する。

上記船舶の推進システムにおいて、前記主機回転数指令値と前記翼角指令値は、船速指令値に従って同時に生成されるものであって、前記電力補正器が、前記船速指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算し、前記船速指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算してもよい。

上記構成によれば、例えば翼角指令値と主機回転数指令値は、船速指令値の関数であり、船速に対応して予め定められたコンビネータカーブに従って同時に変化するように設定される。これにより、船舶の推進システムにおいてコンビネータ制御が実現され、船速指令値に応じた最適な運転が可能になる。この場合、船速指令値の増加または減少に応じて主機の負荷が増加または減少する。そして、船速指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機を制御するので、主機の負荷の増加速度が緩和される。一方、船速指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機を制御するので、主機の負荷の減少速度が緩和される。このように、コンビネータ制御において入力される船速指令値の変動に応じて電動発電機の動作を制御することにより、主機の負荷変動を抑制することができるので、主機回転数が回転数指令値により近づき、主機に供給される燃料供給量の変化が小さくなって、燃費が向上する。

上記船舶の推進システムは、前記船舶の推力需要及び電力需要と、前記主機の推力供給能力及び前記主発電機の電力供給能力とを比較し、電力と推力の過不足を調整するように、前記電動発電機が電動又は発電する電力配分指令値を演算する電力管理器を更に備え、前記電動発電機制御器が、前記電力補正指令値と前記電力配分指令値とを足し合わせた電力指令値に従って、前記電動発電機を制御してもよい。

上記構成によれば、船舶において主機の推力が不足する場合には電動発電機を電動動作するように制御する一方、船舶において主発電機の発電電力が不足する場合には電動発電機を発電動作するように制御することができる。このように、電動発電機の電動又は発電の切り替えにより船舶の電力と推力の過不足を調整して、船舶のパワマネジメント制御との両立を図ることができる。

上記船舶の推進システムは、前記船内母線上、又は船内母線と前記電動発電機との間の電路上に接続された電力貯蔵装置と、前記電力補正指令値が前記電動発電機の発電動作指令を含む場合は充電し、前記電力補正指令値が前記電動発電機の電動動作指令を含む場合は放電するように、前記電力貯蔵装置を制御する電力貯蔵装置制御器と、を更に備えてもよい。

上記構成によれば、電動発電機が発電動作する場合は電力貯蔵装置が充電する一方、電動発電機が電動動作する場合は電力貯蔵装置が放電するので、電動発電機の電力変動が電力貯蔵装置で吸収され、系統の周波数・電圧変動を抑制することができる。

上記船舶の推進システムが、前記翼角指令値、前記主機回転数指令値及び前記船速指令値のうち少なくとも一の指令値の増加又は減少を検出する指令値増減検出器を更に備えてもよい。

上記構成によれば、入力される指令値の増減を抽出し、電動発電機の制御を好適に実現することができる。また、指令値の増減を抽出できるような演算手法であれば、ハイパスフィルタ又はその他のフィルタでもよい。また通常、翼角指令値、および船速指令値は操作卓のレバーから与えられるので、レバー位置の変化を抽出してもよい。

上記船舶の推進システムにおいて、前記電力補正器は、前記指令値の変動が検出された時点から前記主機の軸負荷変動が生じる時点までの第一の所要時間から、前記電力補正指令値が演算された時点から前記電動発電機のトルク出力が生じる時点までの第二の所要時間を差し引いた値を遅れ要素として予め記憶しておき、前記指令値に前記遅れ要素を付加する演算器を更に備えてもよい。

上記構成によれば、電動発電機のトルク変化のタイミングを主機の負荷変動に正確に合わせることができる。つまり、指令値の変動に応じた電動発電機の動作を正確なタイミングで制御することにより、主機の負荷変動が正確に抑止され、燃料供給量の変化をより小さくすることができる。

本発明によれば、電動発電機を有する船舶の推進システムにおいて主機の負荷変動を抑制し、燃費を改善することができる。

第１実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 図１の船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第２実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第３実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第４実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第５実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第６実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第７実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 図８の翼角指令値に応じた主機回転数、主機出力、電力補正指令値及び蓄電池の充放電状態の時間変化を模式的に示すグラフである。 第８実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第９実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。 第１０実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 第１１実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 第１２実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 第１３実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 第１４実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。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じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る船舶推進システム１００のハードウェア構成を示すブロック図である。図１に示すように、船舶推進システム１００は、主機１と、主発電機２と、電動発電機３と、船内母線４と、可変ピッチプロペラ５と、電力変換装置６と、電力貯蔵装置９とを備える。太線は機械的接続を示し、細線は電気配線を示している。

主機１は推進器としての可変ピッチプロペラ５を回転駆動する主動力源である。本実施の形態では、主機１は例えば重油やＬＮＧを燃料として可変ピッチプロペラを駆動するディーゼルエンジンである。主機１はその他の動力源（例えばガスタービン、ガスエンジン、蒸気タービン）でもよい。このディーゼルエンジンの回転軸が減速装置８を介して可変ピッチプロペラ５に動力伝達可能に接続され、可変ピッチプロペラ５を駆動する。船舶推進システム１００において、主機１は主機回転数指令値に従って回転数制御される。

主発電機２は、例えばディーゼルエンジンまたはその他の動力源（例えばガスタービン、ガスエンジン、蒸気タービン）と発電機を回転軸で接続した装置であり、動力源の回転軸の回転により発電機を駆動して発電するように構成されている。主発電機２により発電された電力は、船内母線４から船内電力系統に給電される。主発電機２は船内母線４を介して電力変換装置６に接続されている。

電動発電機３は、発電動作又は電動動作するように制御される。電動発電機３は発電動作する場合には、主機１から減速装置８を介して伝達される動力により発電した電力を電力変換装置６に供給する。電動発電機３は電動動作する場合には、主発電機２により発電された電力により発生した動力で可変ピッチプロペラ５を駆動する。本実施の形態では、電動発電機３は、回転軸が減速装置８を介して可変ピッチプロペラ５に機械的に接続され、電力変換装置６を介して船内母線４に電気的に接続されている。

船内母線４は、主発電機２又は電動発電機３からの電力を船内電力系統に伝送する。本実施の形態では、船内母線４は、主発電機２と電力変換装置６とに電気的に接続されている。船内母線４は主発電機２に電気的に接続され、電力変換装置６を介して電動発電機に電気的に接続される。

可変ピッチプロペラ５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。可変ピッチプロペラ５は、動力伝達機構としての減速装置８を介して主機１と電動発電機３とに機械的に接続される。可変ピッチプロペラ５は、主機１および電動動作する電動発電機３の一方又は双方から出力される回転動力を、減速装置８を介して受けて、回転動力を推力に変換する。可変ピッチプロペラ５の推力は、減速装置８により調整される可変ピッチプロペラ５の回転数、および、ピッチ角調整機構（図示せず）により調整される可変ピッチプロペラ５のピッチ角（翼角）によって制御される。このピッチ角調整機構は、例えば油圧式のアクチュエータを備え、翼角指令値に従ってアクチュエータを駆動して可変ピッチプロペラ５の翼角を変更する。

電力変換装置６は、その一方の端子が船内母線４に接続され、他方の端子が電動発電機３に接続されている。電力変換装置６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、電力系統および電動発電機３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６は、発電状態では、電動発電機３から電力が供給されて船内電力系統にこの電力を供給し、電動状態では主発電機２により発電された電力が船内電力系統から供給されてこの電力を電動発電機３に供給するように構成されている。

電力変換装置６は、第１電力変換器６ａと、第２電力変換器６ｂを備えている。第１電力変換器６ａ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６ａの交流端が船内母線４（電力系統側）に接続され、かつ、直流端が直流中間部に接続されている。第１電力変換器６ａは、直流中間部から入力された直流電力を交流電力に変換して船内母線４（電力系統側）に出力する。また船内母線４（電力系統側）から入力された交流電力を直流電力に変換して直流中間部に出力する。

第２電力変換器６ｂ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６ｂの直流端が直流中間部に接続され、かつ、交流端が電動発電機３に接続されている。第２電力変換器６ｂは、電動発電機３から入力された交流電力を直流電力に変換して直流中間部へ出力する。また、直流中間部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３に出力する。

電力貯蔵装置９は、電力変換装置６の直流中間部に接続されており、直流中間部の電圧（直流中間電圧）の変動を平滑化する。電力貯蔵装置９は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池である。なお、電力貯蔵装置９と電力変換装置６の直流中間部とを電力変換器（図示せず）を介して接続してもよい。

図２は、船舶推進システム１００の制御系のブロック図である。図２に示すように、船舶推進システム１００の制御系は、回転数制御器２２と、燃料供給器２３と、電力補正器２４と、電動発電機制御器２５と、加減算器３０と、を備える。ここでシステム１００の制御系は、例えば、ＦＰＧＡ(field programmable gate array)、ＰＬＣ(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の演算装置で構成され、回転数制御器２２、電力補正器２４、電動発電機制御器２５及び加減算器３０は、上記演算装置においてそれに内蔵されているプログラムが実行されることにより実現される機能ブロックである。なお、以下では、加算器、減算器及び加減算器を区別せずに、加減算器と記載する。

加減算器３０は、主機回転数指令値から主機回転数を減算し、減算した値（偏差）を回転数制御器２２に出力するように構成される。ここで主機回転数指令値は、例えば運転者のレバー操作を通じて入力されてもよいし、制御系のメモリに予め記憶されてもよい。主機回転数は、主機１の主軸に設けられた回転数検出器１０（たとえば、回転センサ等）により主軸の回転数を検出した値である。

回転数制御器２２は、加減算器３０の出力に基づいて、主機１の燃料供給指令値を演算し、演算した燃料供給指令値を燃料供給器２３に出力するように構成される。本実施の形態では、回転数制御器２２は、主機１の回転数を主機回転数指令値に近づけるように、主機１の燃料供給指令値を演算する。

燃料供給器２３は、回転数制御器２２から入力された燃料供給指令値にしたがって燃料を主機１に供給するように構成されている。本実施の形態では、燃料供給器２３は、例えば重油やＬＮＧ燃料をディーゼルエンジン（主機１）に供給する。

電力補正器２４は、可変ピッチプロペラ５の翼角指令値に基づいて電動発電機３の電力補正指令値を演算し、電動発電機制御器２５に出力するように構成される。ここで翼角指令値は、例えば運転者のレバー操作を通じて入力されてもよいし、制御系のメモリに予め記憶されてもよい。電力補正器２４は、可変ピッチプロペラ５の翼角指令値の増加時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機３の電力補正指令値を演算し、可変ピッチプロペラ５の翼角指令値の減少時には発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機３の電力補正指令値を演算する。

電動発電機制御器２５は、電力補正器２４から入力された電力補正指令値に基づいて電力指令値を演算し、これを電動発電機３に出力するように構成されている。電動発電機３は、電動発電機制御器２５から入力された電力指令値により発電動作又は電動動作が制御される。

次に、船舶推進システム１００の動作を説明する。まず、船速を調整する場合の一般的な動作を説明する。本実施の形態では主機１は一定回転数で駆動しつつ可変ピッチプロペラ５の翼角を変化させて船速を調整する。図２に示すように、例えば運転者のレバー操作等を通じて、システム１００の制御系に主機回転数指令値（一定値）及び翼角指令値（可変値）が入力される。まず、加減算器３０は、入力された主機回転数指令値に対する主機回転数の偏差を回転数制御器２２に出力する。回転数制御器２２は、この主機回転数の偏差に応じて燃料供給指令値を生成し、これを燃料供給器２３に出力する。燃料供給器２３は、燃料供給指令値に従って燃料を主機１に供給する。これにより、主機１は、回転数が主機回転数指令値に近づくようにフィードバック制御される。

一方、入力された翼角指令値に従って、可変ピッチプロペラ５のピッチ角調整機構（図示せず）が翼角を変更する。このようにして船速を調整する場合、入力された翼角指令値の増加又は減少に応じて主機１の負荷が増加または減少する。

本実施形態では、上記船速調整制御において電動発電機３を、主機１の負荷変動を抑制するように制御する。可変ピッチプロペラ５の翼角指令値の増加方向の変化時には、電力補正器２４は、電動発電機３の発電電力が減少又は電動電力が増加するように電力補正指令値を演算する。電動発電機制御器２５は、演算した電力補正指令値に従って、電動発電機３を制御する。つまり、翼角指令値の増加時には可変ピッチプロペラ５の負荷が増加するが、発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機３を制御するので、主機１の負荷の増加速度は可変ピッチプロペラ５の負荷の増加速度よりも抑制される。

一方、可変ピッチプロペラ５の翼角指令値の減少方向の変化時には、電力補正器２４は、電動発電機３の発電電力が増加又は電動電力が減少するように電力補正指令値を演算する。電動発電機制御器２５は、演算した電力補正指令値に従って、電動発電機３を制御する。つまり、翼角指令値の減少時には可変ピッチプロペラ５の負荷が減少するが、発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機３を制御するので、主機１の負荷の増加速度は可変ピッチプロペラ５の負荷の減少速度よりも抑制される。これにより、主機１の負荷変動を抑制することができ、主機１に供給される燃料供給量の変化が小さくなって、燃費が改善する。

従来例のように可変ピッチプロペラ５の駆動軸に加わる負荷トルクを検出し、検出した負荷トルクに基づいて電動発電機３を制御する構成であると、電動発電機３による負荷変動補償が主機１の回転数制御より遅れてしまい、効果が限定的なものになる。一方、翼角指令値の変更から可変ピッチプロペラ５の軸の負荷変動の発生までには、翼角を操作する油圧系統（アクチュエータ）及び流体力の伝達に要する時間に起因する大きな遅れ時間がある。本実施形態によれば、翼角指令値の変動に応じて電動発電機３を制御するので、上記の大きな遅れ時間の分だけ制御時間に余裕があるから、電動発電機３による負荷変動補償が主機１の回転数制御より遅れることはなく、上記従来技術よりも補償の性能が改善する。

また、従来技術の負荷及び歪み量を用いる方法では、負荷計や歪みセンサ等の追加の装置が必要となるが、本実施形態によれば、追加の装置を必要としない。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図３を用いて説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、図１の構成と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図３は、第２実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。図３に示すように、第１実施形態（図２）と比較すると、電力補正器２４が入力された翼角指令値及び主機回転数指令値に基づいて電動発電機３の電力補正指令値を演算する点が異なる。

本実施形態では船舶推進システム１０１の主機１の回転数を変化させて駆動しつつ可変ピッチプロペラ５の翼角を変化させて船速を調整する。この場合、可変ピッチプロペラ５の負荷は、翼角指令値だけでなく主機回転数指令値の増加または減少に応じて増加または減少する。

本実施形態では、上記船速調整制御において電動発電機３を、主機１の負荷変動を抑制するように制御する。翼角指令値だけでなく主機回転数指令値の増加時においても、電力補正器２４は電動発電機３の発電電力が減少又は電動電力が増加するように電力補正指令値を演算する。電動発電機制御器２５は、演算した電力補正指令値に従って、電動発電機３を制御する。つまり、翼角指令値だけでなく主機回転数指令値の増加時においても可変ピッチプロペラ５の負荷が増加するが、発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機３を制御するので、主機１の負荷の増加速度は可変ピッチプロペラ５の負荷の増加速度よりも抑制される。

一方、翼角指令値だけでなく主機回転数指令値の減少時においても電動発電機３の発電電力が増加又は電動電力が減少するように電力補正指令値を演算する。電動発電機制御器２５は、演算した電力補正指令値に従って、電動発電機３を制御する。つまり、翼角指令値だけでなく主機回転数指令値の減少時においても可変ピッチプロペラ５の負荷が減少するが、発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機３を制御するので、主機１の負荷の減少速度は可変ピッチプロペラ５の負荷の減少速度よりも抑制される。

これにより、翼角指令値だけでなく、主機回転数指令値の変動に応じて電動発電機３の動作を制御することにより、主機１の負荷変動を抑制することができるので、本実施形態によれば、第１実施の形態と比べて、主機回転数が回転数指令値により近づき、主機１に供給される燃料供給量の変化が小さくなって、燃費が更に向上する。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第１実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図４は、第３実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。図４に示すように、第１実施形態（図２）と比較すると、船舶推進システム１０２が、船舶の電力と推力の過不足を調整するために電力配分指令値を演算する電力管理器２６を更に備える点が異なる。

電力管理器２６は、船舶の推力需要及び船舶の電力需要と推力供給能力及び電力供給能力とをそれぞれ比較し、船舶推進システム１０２における電力と推力の過不足を調整するように、電動発電機３が電動又は発電する電力配分指令値を演算する。

電動発電機制御器２５は加減算器３１を有する。加減算器３１は、電力補正器２４から入力される電力補正指令値に電力管理器２６から与えられる電力配分指令値を加算して、電力指令値を演算し、これを電動発電機３に出力する。

以上のような構成により、船舶の電力系統から現在の船舶の推力需要、電力需要、推力供給能力、及び電力供給能力を含む情報が電力管理器２６に入力される。電力管理器２６は、船舶の推力需要及び船舶の電力需要と推力供給能力及び電力供給能力とをそれぞれ比較し、船舶において主機１の推力が不足する場合には電動発電機３を電動動作するような電力配分指令値を演算する。一方、船舶において主発電機２の発電電力が不足する場合には電動発電機３を発電動作するような電力配分指令値を演算する。

そして、電動発電機３は、電力管理器２６から与えられる電力配分指令値に電力補正器２４から入力される電力補正指令値を加算して生成された電力指令値に従って制御される。つまり、電動発電機３は、船舶推進システム１０２における電力と推力の過不足を調整するように、電動動作又は発電動作するように制御される。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様な効果に加えて、電動発電機３の電動又は発電の切り替えにより船舶の電力と推力の過不足を調整することができ、船舶のパワマネジメント制御との両立を図ることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第１実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図５は、第４実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。図５に示すように、第１実施形態（図２）と比較すると、船舶推進システム１０３が、電力補正指令値に基づいて電力貯蔵装置９を制御する電力貯蔵装置制御部２７を更に備える点が異なる。

電力貯蔵装置制御部２７は、電力補正指令値が電動発電機３の発電動作指令を含む場合は充電し、電力補正指令値が電動発電機３の電動動作指令を含む場合は放電するように、電力貯蔵装置９を制御する。

これにより、電動発電機３が発電動作する場合は電力貯蔵装置９が充電する一方、電動発電機３が電動動作する場合は電力貯蔵装置９が放電するので、電動発電機３の電力変動が電力貯蔵装置９で吸収され、系統の周波数・電圧変動を抑制することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第２実施形態と同様である。以下では、第２実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図６は、第５実施形態に係る船舶推進システム１０４の制御系のブロック図である。図６に示すように、第２実施形態（図３）と比較すると、電力補正器２４が、第１ハイパスフィルタ４０と、第２ハイパスフィルタ４１と、第１増幅器４２と、第２増幅器４３と、加減算器３２を備える点が異なる。

第１ハイパスフィルタ４０は、入力された主機回転数指令値の増加又は減少を検出し、これを第１増幅器４２に出力するように構成される。第１増幅器４２は、第１ハイパスフィルタ４０の出力値を、予め設定した所定のゲインで調整して、これを加減算器３２に出力する。ここで第１ハイパスフィルタ４０の出力値の単位は主機回転数[rpm]から電力に変換される。

第２ハイパスフィルタ４１は、翼角指令値の増加又は減少を検出し、これを第２増幅器４３に出力するように構成される。第２増幅器４３は、第２ハイパスフィルタ４１の出力値を、予め設定した所定のゲインで調整して、これを加減算器３２に出力する。ここで第２ハイパスフィルタ４１の出力値の単位は翼角[deg]から電力に変換される。加減算器３２は、第１増幅器４２と、第２増幅器４３の出力値を加算して電力補正指令値を生成し、これを電動発電機制御器２５に出力するように構成されている。

本実施形態によれば、第１ハイパスフィルタ４０及び第２ハイパスフィルタ４１により、主機回転数指令値及び翼角指令値の変動成分を抽出し、これに基づいて、電力補正指令値を生成するので、第２実施形態と比べて、電動発電機３の制御を好適に実現できる。

尚、上記第１、第３及び第４実施形態における電力補正器２４が本実施形態と同様の第１ハイパスフィルタ４０及び第１増幅器４２を備える構成でもよい。

尚、本実施形態ではハイパスフィルタを用いたが、指令値の増減を抽出できるような演算手法であれば、バンドパスフィルタ又はその他のフィルタでもよい。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第５実施形態と同様である。以下では、第５実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

ところで主機１の回転数制御では、回転数が主機回転数指令値に近づくように燃料供給量を増すが、主機回転数指令値の変更から主機１の軸負荷変動の発生までには応答遅れがある。一方、可変ピッチプロペラ５の翼角制御では、入力された翼角指令値に従って、ピッチ角調整機構が翼角を変更するが、翼角指令値の変更から主機１の軸負荷変動の発生までには、翼角を操作する油圧系統（アクチュエータ）及び流体力の伝達に要する時間に起因する遅れ時間がある。

図７は、第６実施形態に係る船舶推進システム１０５の制御系のブロック図である。図７に示すように、第５実施形態と比較すると、電力補正器２４が、第１遅れ補償器４４及び第２遅れ補償器４５を更に備える点が異なる。

第１遅れ補償器４４は、主機回転数指令値の増減を検出する第１ハイパスフィルタ４０の出力値を第1むだ時間だけ遅らせ、これを第１増幅器４２に出力する。ここで第１むだ時間は、主機回転数指令値の変化が検出された時点から主機１の軸負荷変動が生じる時点までの第一の所要時間から、主機回転数指令値の変化が検出された時点から電動発電機３のトルク出力が生じる時点までの第二の所要時間を差し引いた値である。第１むだ時間は、予め制御系のメモリに記憶される。

第２遅れ補償器４５は、翼角指令値の増減を検出する第２ハイパスフィルタ４１の出力値を第２むだ時間だけ遅らせ、これを第２増幅器４３に出力する。ここで第２むだ時間は、翼角指令値の変化が検出された時点から主機１の軸負荷変動が生じる時点までの第一の所要時間から、翼角指令値の変化が検出された時点から電動発電機３のトルク出力が生じる時点までの第二の所要時間を差し引いた値である。第２むだ時間は、予め制御系のメモリに記憶される。

第１増幅器４２、第２増幅器４３は、それぞれ第１遅れ補償器４４、第２遅れ補償器４５の出力値を、予め設定した所定のゲインで調整して、これを加減算器３２に出力する。加減算器３２は、第１増幅器４２と、第２増幅器４３の出力値とを加算して電力補正指令値を生成し、これを電動発電機制御器２５に出力する。これにより、電動発電機３は、そのトルク変化のタイミングを主機１の負荷変動に正確に合うように制御される。

つまり、本実施形態によれば、主機回転数指令値及び翼角指令値の変動に応じて、電動発電機３の動作を正確なタイミングで制御することにより、主機１の負荷変動が正確に抑止され、燃料供給量の変化をより小さくすることができる。

尚、上記第１、第３及び第４実施形態における電力補正器２４が、本実施形態と同様に、主機回転数指令値の増加又は減少を検出する第１ハイパスフィルタ４０と、第１遅れ補償器４４と、第１増幅器４２を備える構成でもよい。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第６実施形態と同様である。以下では、第６実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図８は、第７実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。図８に示すように、船舶推進システム１０６は、本実施形態では、第６実施形態と比較すると、電力管理器２６及び電動発電機制御器２５の加減算器３１（図４）と、電力貯蔵装置制御部２７（図５）とを更に備える点が異なる。

つまり、本実施形態の船舶推進システム１０６は、上述の実施形態の全ての特徴を備えている。各特徴の動作について従来技術と比較しつつ図９のグラフを用いて説明する。ここでは比較例として従来の主機の回転数制御技術を備えた船舶推進システムを想定する。図９は、翼角指令値に応じた主機回転数、主機出力、電力補正指令値及び電力貯蔵装置９の充放電状態の時間変化を模式的に示している。

図９Ａは、翼角指令値の時間変化を模式的に示している。図９Ｂは、主機１の回転数の時間変化を示している。図９Ｃは、主機１の出力の時間変化を模式的に示している。図９Ｄは、電力補正指令値の時間変化を示している。電力補正指令値が正の場合は電動発電機３の電動動作指令であり、負の場合は発電動作指令である。図９Ｅは、電力貯蔵装置９の充放電状態を示している。正の場合は電力貯蔵装置９が放電状態であることを示し、負の場合は充電状態であることを示している。

まず、図９Ａに示すように、時刻ｔ_０において翼角指令値が一定値から増加に転じた場合を想定する。この場合は、少し遅れて可変ピッチプロペラ５のアクチュエータが作動する。比較例では、図９Ｂの点（１）を含む破線のように、主機回転数は、翼角変化指令から第一所要時間ｔ_１経過後に主機１の軸の負荷が増加して急激に減少する。これに伴って回転数制御が作動して、図９Ｃの点（３）を含む破線のように、主機の出力（燃料供給量）は急激に増加する。

これに対し、本実施形態では、翼角指令値の増加方向の変化時には、電力補正器２４は、発電電力が減少又は電動電力が増加するよう電力補正指令値を演算する。また、翼角指令値の減少方向の変化時には、電力補正器２４は発電電力が増加又は電動電力が減少するように電力補正指令値を演算する。図９Ａに示すように、時刻ｔ_０における翼角指令値の増加時には、電力補正器２４は、電動発電機３の電動電力が増加するよう電力補正指令値を演算する。

更に、電力補正器２４は、図９Ｄの点（５）を含む実線のように、遅れ要素を付加して電力補正指令値を演算する。つまり、電力補正器２４は、翼角指令値が増加した時刻ｔ_０から時間ｔ_ｗ経過後に電力補正指令値を演算し、電動発電機３に出力することにより、電力指令補正値の演算から第二の所要時間ｔ_２経過後に電動発電機３にトルク出力が生じる。これによって翼角指令値の変化から軸の負荷変動のタイミングに正確に合わせて電動発電機３のトルクを補償することができ、図９Ｂの点（２）を含む実線のように、主機１の回転数の急激な減少が抑制される。これに伴って、図９Ｃの点（４）を含む実線のように、主機１の出力（燃料供給量）の急激な増加が抑制されて燃費が改善する。

更に、本実施形態では、電力管理器２６は、船舶の推力需要、電力需要と主機の推力供給能力、主発電機の電力供給能力を比較し、電力と推力の過不足を調整するように、電動発電機３が電動または発電する電力配分指令値を演算する。例えば推力が不足する場合、電動発電機３を電動動作すべく、電力配分指令値は正の値ａとなる。一方、電力が不足する場合、電動発電機３を発電動作すべく、電力配分指令値は負の値ｂとなる。つまり、推力が不足する場合、正の電力配分指令値ａが足し合わされ、電力補正指令値は図９Ｄの点（６）を含む実線となる。これにより、電動発電機３は電動動作するように制御される。一方、電力が不足する場合、負の電力配分指令値ｂを足し合わされ、電力補正指令値は図９Ｄの点（７）を含む実線となる。これにより、電動発電機３は発電動作するように制御される。従って、船舶の電力と推力の過不足が調整され、船舶のパワマネジメント制御との両立を図ることができる。

更に、本実施形態では、電力貯蔵装置制御部２７が電力補正指令値に従って、電力貯蔵装置９を制御する。電力貯蔵装置制御部２７は、電力補正指令値が電動発電機３の発電動作指令を含む場合は充電し、電力補正指令値が電動発電機３の電動動作指令を含む場合は放電するように、電力貯蔵装置９を制御する。図９Ｄの点（５）を含む実線のように、電動動作指令を含む正の値の電力補正指令値が演算された場合、図９Ｅに示すように、電力貯蔵装置制御部２７は、放電指令を電力貯蔵装置９に出力し、電力貯蔵装置９は放電動作を行う。このように、電動発電機３の電力変動が電力貯蔵装置９で吸収することができ、系統の周波数・電圧変動を抑制することができる。

（第８実施形態）
次に、第８実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第１実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図１０は、第８実施形態に係る船舶推進システムの制御系のブロック図である。図１０に示すように、船舶推進システム１０７は、第１実施形態と比較すると、指令値生成器２８を更に備え、指令値生成器２８が、入力された船速指令値に従って主機回転数指令値と翼角指令値を同時に生成する点が異なる。

本実施の形態では、翼角指令値と主機回転数指令値は、船速指令値の関数である。指令値生成器２８は、例えば運転者のレバー操作を通じて入力された船速指令値に対応して予め定められたコンビネータカーブに従って、主機回転数指令値と翼角指令値を同時に生成する。

電力補正器２４は、船速指令値の増加時には、指令値生成器２８により生成された翼角指令値に基づいて発電電力が減少又は電動電力が増加するように電動発電機３の電力補正指令値を演算する。船速指令値の減少時には、指令値生成器２８により生成された翼角指令値に基づいて発電電力が増加又は電動電力が減少するように電動発電機３の電力補正指令値を演算するように構成される。

従って、本実施形態によれば、船舶推進システム１０７においてコンビネータ制御が実現され、船速指令値に応じた最適な運転が可能になるとともに、船速指令値の変動に応じて電動発電機３の動作を制御することにより、第１実施形態と同様に、主機１の負荷変動を抑制することができる。

（第９実施形態）
次に、第９実施形態について説明する。本実施形態の船舶推進システムのハードウェア構成は、第７実施形態と同様である。以下では、第７実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図１１は、第７実施形態に係る船舶推進システム１０８の制御系のブロック図である。図１１に示すように、船舶推進システム１０８は、第７実施形態と比較すると、第８実施形態に示した指令値生成器２８を更に備え、指令値生成器２８が、入力された船速指令値に従って主機回転数指令値と翼角指令値を同時に生成する点が異なる。つまり、本実施形態の船舶推進システム１０８は、第７実施形態及び第７実施形態の特徴を備えている。

従って、本実施形態によれば、船舶推進システム１０７においてコンビネータ制御が実現され、船速指令値に応じた最適な運転が可能になるとともに、船速指令値の変動に応じて電動発電機３の動作を制御することにより、第７実施形態と同様の効果を奏することができる。

（その他の実施形態）
上述の各実施形態の船舶推定システムのハードウェア構成は、図１に示した構成に限定されない。以下、上述の各実施形態に適用可能なその他のハードウェア構成について説明する。図１２は、第１０実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。図１２に示すように、船舶推進システム１０９は、上述のハードウェア構成（図１）と比較すると、主機１が減速装置８ではなく、電動発電機３に機械的に接続される点が異なる。本実施形態では電動発電機３は電動動作する場合は主発電機２により発電された電力により発生した動力で可変ピッチプロペラ５を駆動し、発電動作する場合には主機１から直接伝達される動力により発電した電力を電力変換装置６に供給する。

図１３は、第１１実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。図１３に示すように、船舶推進システム１１０は、上述のハードウェア構成（図１）と比較すると、電力貯蔵装置９が電力変換装置６における直流中間部ではなく、船内母線４上に電気的に接続される点が異なる。本実施形態では、船内母線４と電力貯蔵装置９との間には電力変換器６ｃが、電気的に接続され、船内母線４から供給される交流を直流に変換するように構成されている。

図１４は、第１２実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。図１４に示すように、船舶推進システム１１１は、上述のハードウェア構成（図１３）と比較すると、電動発電機３の代わりに電動機３ａを備える点が異なる。つまり、本実施形態では、主機１と電動機３ａの双方から出力される回転動力が可変ピッチプロペラ５に推力として供給される。

図１５は、第１３実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示すブロック図である。図１５に示すように、船舶推進システム１１２は、上述のハードウェア構成（図１３）と比較すると、電動発電機３の代わりに発電機３ｂを備える点が異なる。つまり、本実施形態では、主機１から出力される回転動力が可変ピッチプロペラ５に推力として供給される。一方で、発電機３ｂは主機１からの回転動力を受けて発電し、電力を電力変換装置６に供給する。

図１６は、第１４実施形態に係る船舶推進システム１１３のハードウェア構成を示すブロック図である。図１６に示すように、船舶推進システム１１３は、上述のハードウェア構成（図１５）と比較すると、電力変換装置６と主発電機２を備えていない点が異なる。つまり、本実施形態では、主機１から出力される回転動力が可変ピッチプロペラ５に推力として供給される。一方で、軸発電機３ｂは主機１からの回転動力を受けて発電する。発電された電力は船内母線４に供給される。本構成において、第１３実施形態と同様、船内母線４と接続された主発電機２を備えてもよい。

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、その構造及び機能の一方又は双方の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、電動発電機を有する船舶の推進システムに有用である。

１ 主機
２ 主発電機
３ 電動発電機
３ａ 電動機
３ｂ 発電機
４ 船内母線
５ 可変ピッチプロペラ
６ 電力変換装置
８ 減速装置
９ 電力貯蔵装置
１０ 回転数検出器
２２ 回転数制御器
２３ 燃料供給器
２４ 電力補正器
２５ 電動発電機制御器
２６ 電力管理器
２７ 電力貯蔵装置制御器
２８ 指令値生成器
３０，３１，３２ 加減算器
４０ 第１ハイパスフィルタ
４１ 第２ハイパスフィルタ
４２ 第１増幅器
４３ 第２増幅器
４４ 第１遅れ補償器
４５ 第２遅れ補償器
１００〜１１３ 船舶推進システム

Claims (6)

1. 主機回転数指令値に従って回転数制御される主機と、主発電機と、電動発電機と、船内母線と、翼角指令値に従って翼角制御される可変ピッチプロペラと、を備え、前記可変ピッチプロペラは前記主機と前記電動発電機とに機械的に接続され、前記船内母線は前記主発電機と前記電動発電機とに電気的に接続されている船舶の推進システムであって、
   前記翼角指令値に基づいて当該翼角指令値が増加方向に変化している最中には発電電力が減少又は電動電力が増加するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算し、前記翼角指令値に基づいて当該翼角指令値が減少方向に変化している最中には発電電力が増加又は電動電力が減少するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算する電力補正器と、
   前記電力補正指令値に従って、前記電動発電機を制御する電動発電機制御器と、を備え、
   前記電力補正器は、
   前記主機回転数指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算し、
   前記主機回転数指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するよう、電動発電機の電力補正指令値を演算する、船舶の推進システム。
2. 前記主機回転数指令値と前記翼角指令値は、船速指令値に従って同時に生成されるものであって、
   前記電力補正器は、前記船速指令値の増加方向の変化時には発電電力が減少又は電動電力が増加するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算し、前記船速指令値の減少方向の変化時には発電電力が増加又は電動電力が減少するように前記電動発電機の電力補正指令値を演算する、請求項１に船舶の推進システム。
3. 前記船舶の推力需要及び電力需要と、前記主機の推力供給能力及び前記主発電機の電力供給能力とを比較し、電力と推力の過不足を調整するように、前記電動発電機が電動又は発電する電力配分指令値を演算する電力管理器を更に備え、
   前記電動発電機制御器は、前記電力補正指令値と前記電力配分指令値とを足し合わせた電力指令値に従って、前記電動発電機を制御する、請求項１又は請求項２に記載の船舶の推進システム。
4. 前記船内母線上、又は船内母線と前記電動発電機との間の電路上に接続された電力貯蔵装置と、
   前記電力補正指令値が前記電動発電機の発電動作指令を含む場合は充電し、前記電力補正指令値が前記電動発電機の電動動作指令を含む場合は放電するように、前記電力貯蔵装置を制御する電力貯蔵装置制御器と、
   を更に備える、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の船舶の推進システム。
5. 前記翼角指令値、前記主機回転数指令値及び前記船速指令値のうち少なくとも一の指令値の増加又は減少を検出する指令値増減検出器を更に備える、請求項２に記載の船舶の推進システム。
6. 前記電力補正器は、
   前記指令値の変動が検出された時点から前記主機の軸負荷変動が生じる時点までの第一の所要時間から、前記電力補正指令値が演算された時点から前記電動発電機のトルク出力が生じる時点までの第二の所要時間を差し引いた値を遅れ要素として予め記憶しておき、前記指令値に前記遅れ要素を付加する演算器を更に備える、請求項５に記載の船舶の推進システム。

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