JP6838979B2 - 移動体の配電システム - Google Patents

Description

本発明は、移動体の配電システムに関する。

従来から、例えば船舶等の移動体の推進システムが知られている（特許文献１参照）。最近では、発電機を高負荷で使用することによる効率向上、およびメンテナンスコスト低減の観点から、移動体の電力を発電機１台のみで運用する（以下、single generator operationともいう）ことが望ましい。

特開２０１６−５５８５０号公報

しかし、上記従来の移動体の推進システムの運用に必要な電力を発電機1台で賄うことを想定した場合、急激な変動をもつ電力負荷（例えばクレーン等）によって発電機がトリップする恐れがあったため、停電のリスクが存在していた。そのため、急激な変動をもつ電力負荷を使用する場合は、追加の発電機を運転する必要があった。

あるいは、追加の発電機の代わりに、電力変換装置を介して電力貯蔵装置を電力系統に接続し、電力の変動量を発電機と電力貯蔵装置とで分担することもできる。しかし、変動量の大部分を電力貯蔵装置に分担させるには、各負荷に電力計測手段を設けて変動量を求め、発電機の電気機械系が応答するより前に電力変換装置の電力を高速に制御する必要があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、簡便な方法により、急激な変動をもつ電力負荷を使用する場合でも、移動体の電力系統を発電機１台で運用することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係る移動体の配電システムは、原動機を駆動力とする発電機、及び、負荷によって消費または負荷から回生される電力の変動量（以下、電力負荷変動と呼ぶ）が所定値未満の第１電力負荷、に接続される第１電力系統と、電力負荷変動が前記所定値以上となり得る第２電力負荷に接続される第２電力系統と、交流端が前記第１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、交流端が前記第２電力系統に接続され且つ直流端が前記直流中間部に接続された第２電力変換器と、両直流端がそれぞれ前記直流中間部と電力貯蔵装置に接続された第３電力変換器と、前記第１電力系統から前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器を介して前記第２電力系統へ至る給電経路に対して並列を成す経路を構成するバスタイブレーカと、を備え、前記バスタイブレーカは、前記第２電力負荷が運転していないときには接続状態とされる一方、前記第２電力負荷が運転しているときには遮断状態とされ、前記第１電力変換器は、前記第２電力変換器の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分で与えられる第１電力指令値に基づいて制御され、前記第２電力変換器はドループ制御され、前記第３電力変換器は前記直流中間部に流出入する電力の不平衡を解消するよう電力を制御する。

上記構成によれば、電力負荷変動（例えば電力の時間変化率、電力の所定周波数成分の振幅、またはステップ状の電力変動量など）が所定値以上となり得る第２電力負荷を運転する場合は、バスタイブレーカを開き、第１電力系統および第２電力系統の間を遮断状態とする。これにより、第１電力系統では発電機から第１電力負荷に直接電力が供給される一方で、第１電力系統から第１電力変換器及び第２電力変換器を介して第２電力系統へ至る給電経路を通じて第２電力負荷に電力が供給される。第２電力変換器の電力は負荷の運転状況に応じて成り行きで変化する。一方、発電機から直流中間部までの電力の流れは第１電力変換器によって制御される。また、直流中間部に流出入する電力差を吸収するように第３電力変換器が制御される。これによって、第１電力変換器と第２電力変換器の電力差は自動的に電力貯蔵装置へ吸収される。第２電力負荷において急激な負荷変動が生じた場合、第２電力変換器はドループ制御されているので、第２電力負荷への電力供給を継続することができる。また、第１電力変換器は第２電力変換器の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分で与えられる第１電力指令値に基づいて制御されているので、電力負荷変動のうち所定周波数未満の低周波数成分のみが第１電力系統における電力変動として現れ、所定周波数以上の周波数成分は第３電力変換器の制御により電力貯蔵装置で吸収される。これにより、発電機エンジンの負荷変動は抑制され、急激な負荷変動による発電機のトリップを防ぐことができる。このように、所定周波数を調整するのみで発電機エンジンの負荷変動の大きさを設定できるので、制御調整が容易であり、各負荷に電力計測手段を設ける必要もない。

一方、第２電力負荷を運転しない場合は、バスタイブレーカを閉じ、第１電力系統および第２電力系統を接続状態とする。これにより、第１電力系統から第１電力変換器及び第２電力変換器を介して第２電力系統へ至る給電経路に対して並列を成す経路が形成される。第２電力変換器はドループ制御されるので、発電機（第１電力系統）と連系して運転することができる。発電機が故障した場合であっても、ドループ制御の効果によって、停電に至ることなく電力貯蔵装置から給電を行うことができる。従って、急激な変動をもつ電力負荷の運転の有無を問わず、移動体の電力系統を発電機１台で運用することができる。

上記移動体の配電システムは、前記第２電力系統の周波数と前記第２電力変換器の電力実績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前記第２電力変換器をドループ制御し、前記第２電力系統を前記第１電力系統から遮断した場合には、前記第２電力系統の周波数を標準周波数とするように前記ドループ特性線を調整し、前記第２電力系統を前記第１電力系統に接続した場合には、前記第２電力変換器の電力を０ｋＷとし、且つ、前記第２電力系統の周波数を標準周波数とするように調整してもよい。

上記構成によれば、第２電力変換器は第２電力系統の周波数と第２電力変換器の電力実績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ドループ制御されるので、第２電力負荷を含む第２電力系統を、発電機が接続された第１電力系統から遮断した場合には、第２電力負荷の急激な変動に対し、ドループ特性線に従って第２電力系統の周波数が変動する。すなわち、第２電力変換器は自立運転時には発電機と同様に機能することができる。さらに、発電機と同様に、変動した周波数を標準周波数とするようにドループ特性線を調整することができる。

一方、第２電力系統を、第１電力系統に接続した場合には、第２電力変換器は発電機と並列で運転され、ドループ特性線を調整することで定常負荷の分担率を調整することができる。とくに、第２電力変換器の定常負荷分担率を０％（電力０ｋＷ）とした場合、定常状態では発電機が負荷消費電力の１００％を担う。これにより、第２電力変換器による損失を抑制することができる。一方で電力負荷が変動した場合には、過渡的には第２電力変換器および発電機の両方がドループ特性線にしたがい変動する。したがって、電力負荷の変動成分のみを第２電力変換器および発電機で分担することができる。この時、もとより第２電力負荷を運転していないので、発電機が変動成分の半分程度を負担しても何ら問題はない。さらに、発電機が故障して第１電力系統から切り離されても、停電に至ることなく第２電力変換器が代わりに電力を供給できる。このときの電力は、電力貯蔵装置から供給される。このことは、本運用において電力貯蔵装置が第２電力変換器および第３電力変換器を介し、バックアップ電源として利用できることを示している。

上記移動体の配電システムは、前記直流中間部に接続された第４電力変換器を更に備え、前記第４電力変換器の交流端には電動機が接続され、前記電動機の推進軸には推進器が取り付けられていてもよい。

上記構成によれば、移動体の電気推進システムに適用することができる。

上記移動体の配電システムは、前記直流中間部に接続された第４電力変換器を更に備え、
前記第４電力変換器の交流端には電動発電機が接続され、電動発電機の推進軸に主機および推進器が取り付けられていてもよい。

上記構成によれば、移動体のハイブリッド推進システムに適用することができる。

前記第１電力指令値は、前記第２電力変換器の実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分と前記第４電力変換器の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分との和で与えられてもよい。

上記構成によれば、第１電力指令値が第２電力変換器の実績値の低周波成分と前記第４電力変換器の電力実績値の低周波成分との和で与えられるので、例えば電動機の電力変動および第２電力負荷の急激な負荷変動によって生じる第１電力系統への影響を抑制することができる。特に急激な変動を含む第２負荷を運転せずにバスタイブレーカを閉じる場合は、第１電力指令値は第４電力変換器の電力実績値の低周波数成分のみを与えてもよい。

前記第４電力変換器は、第４電力指令値に基づいて電力制御され、前記第４電力指令値は、操作卓から与えられる前記電動発電機の回転数指令値と、前記電動発電機の実際の回転数との偏差に基づく回転数制御によって得られる電動発電機の電力指令値であるか、又は、操作卓から与えられる電動発電機の電力指令値であってもよい。

上記構成によれば、操作卓から回転数指令値又は電力指令値を与えることにより、第４電力変換器によって電動発電機の回転数制御又は電力制御を行うことができる。

前記電力貯蔵装置の充電率は、前記第３電力変換器の電流実績値、又は、電力実績値に基づいて計算され、充電率が所定の範囲内に収まるように充放電を行うよう、第１充放電補正電力指令値、及び、第４充放電補正電力指令値が計算され、前記第１充放電補正電力指令値は前記第１電力指令値に加算され、前記第４充放電補正電力指令値は前記第４電力指令値に加算されてもよい。

第１電力変換器と第２電力変換器および第４電力変換器の電力差は自動的に電力貯蔵装置の充放電によって吸収される。上記構成によれば、第３電力変換器の実績値に基づいて、第１充放電補正電力指令値および第４充放電補正電力指令値を加算することにより、電力貯蔵装置のＳＯＣ(State of Charge)制御を実現できる。

本発明によれば、移動体の電力系統を発電機１台で運用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る移動体の配電システムを備える移動体の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１の制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、図２の電力制御部の構成を示すブロック図である。 図４は、図１のタイブレーカを開いた場合の移動体の配電システムの構成を示すブロック図である。 図５は、単独運転時の第２電力変換器のドループ制御に使用されるドループ特性線である。 図６は、図１のタイブレーカを閉じた場合の移動体の配電システムの構成を示すブロック図である。 図７は、連系運転時の第２電力変換器のドループ制御に使用されるドループ特性線である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る移動体の配電システムを備える移動体の構成を概略的に示す図である。 図９は、図８の制御装置の構成を示すブロック図である。 図１０は、図９の制御装置内部の一例を概略的に示すブロック図である。 図１１は、図９の制御装置内部のその他の例を概略的に示すブロック図である。 図１２は、本発明の第３実施形態に係る移動体の配電システムを備える移動体の構成を概略的に示す図である。

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、本発明の第１実施形態に係る移動体の配電システム１００を備える移動体の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、移動体の配電システム１００は、一台の発電機５と、電力負荷７と、電力変換装置１と、電力貯蔵装置２と、交流のバスライン８と、バスタイブレーカ４と、制御装置３と、推進システム２００とを備える。

発電機５は、電力負荷７に電力を供給する主な電力源である。発電機５は、原動機６を駆動力とし、移動体で使用する電力を賄っている。この電力の変動が非常に大きいと、エンジントリップによって発電機５からの電力供給が遮断される恐れがある。

電力負荷７は、交流のバスライン８に接続された第１電力負荷７ａおよび第２電力負荷７ｂを含む。第１電力負荷７ａは、発電機５から供給された電力を消費する機器である。第１電力負荷７ａは、複数設けられ、いずれも急激な電力の負荷変動を含まない機器である。第１電力負荷７ａには例えば船舶の照明・空調等のホテル負荷（hotel loads）などの連続的に動作する設備、ウインチ、主機７０のエンジンスタータモータ等の短時間に動作する装置が含まれる。第２電力負荷７ｂは、電力を消費する機器であって、例えばクレーン等の急激な電力の負荷変動を含む機器である。これらの装置は、交流のバスライン８にそれぞれ接続されている。尚、「急激な変動を含む」とは、電力の時間変化率、電力の所定周波数成分の振幅、またはステップ状の電力変動量など、消費される電力の変動に関する緒量が所定値以上であることをいう。「急激な変動を含まない」とは、これらが所定値未満であることをいう。所定値は、エンジンメーカーが提示する、負荷変動への追従性能に関する情報から決めることができる。

交流のバスライン８は、発電機５、第１電力負荷７ａおよび電力変換装置１に接続された第１バスライン８ａと、第２電力負荷７ｂおよび電力変換装置１に接続された第２バスライン８ｂで構成された給電経路である。第１バスライン８ａ及び第２バスライン８ｂはバスタイブレーカ４によって接続又は遮断される。バスタイブレーカ４は、第２電力負荷７ｂが運転していないときには接続状態とされる一方、第２電力負荷７ｂが運転しているときには遮断状態とされる。本実施形態では、バスタイブレーカ４の開閉は、制御装置３によって制御される。以下では、移動体の配電システム１００において、第１バスライン８ａに接続された電力系統を「第１電力系統」といい、第２バスライン８ｂに接続された電力系統を「第２電力系統」という。換言すれば、バスタイブレーカ４は、第１電力系統（８ａ）及び第２電力系統（８ｂ）の間を開閉可能に接続すると共に、第１電力系統（８ａ）から第１電力変換器１１及び第２電力変換器１２を介して第２電力系統（８ｂ）へ至る給電経路に対して並列を成す経路を構成することができる。

電力変換装置１は、その一方の端子が第１電力系統（８ａ）に接続され、他方の端子が第２電力系統（８ｂ）に接続されている。具体的には、電力変換装置１は、第１電力変換器１１と、第２電力変換器１２と、第３電力変換器１３と、直流中間部９とを有する。

第１電力変換器１１は、第１電力系統（８ａ）から消費する電力を調整する。第１電力変換器１１は、ＡＣ−ＤＣ変換器である。第１電力変換器１１の交流端は第１電力系統（８ａ）に接続され、かつ、第１電力変換器１１の直流端は直流中間部９に接続されている。

第２電力変換器１２は、第２電力系統（８ｂ）に電力を供給する。第２電力変換器１２は、ＡＣ−ＤＣ変換器である。第２電力変換器１２の直流端は直流中間部９に接続され、かつ、第２電力変換器１２の交流端は第２電力系統（８ｂ）に接続されている。

第３電力変換器１３は、直流中間部９に流出入する電力の不平衡を解消するよう電力を制御するＤＣ／ＤＣ変換器である。第３電力変換器１３の一方の直流端は直流中間部９に接続され、且つ、第３電力変換器１３の他方の直流端は電力貯蔵装置２に接続される。

直流中間部９は、第１電力変換器１１の直流端、第２電力変換器１２の直流端、および、第３電力変換器１３の一方の直流端に接続されている。

電力貯蔵装置２は、第３電力変換器１３の他方の直流端に接続される。電力貯蔵装置２は例えば二次電池、キャパシタで構成される。二次電池としては、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池および鉛蓄電池を用いてもよい。キャパシタとしては、たとえば、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、ナノハイブリッドキャパシタ、カーボンナノチューブキャパシタを用いてもよい。

本実施形態の配電システム１００は、機械推進システムを搭載した船舶（以下、機械推進船ともいう）に適用される。機械推進船では、推進システム２００は、推進器８０の主駆動源としての主機７０を備える。推進器８０は、船舶用プロペラである。主機７０は、発電機５とは独立しており、主機７０の推力のみで推進器８０を駆動するように構成されている。尚、推進システム２００Ａの構成は、配電システム１００Ａが搭載される船舶の種類に依存して異なるが、例えばハイブリッド船、電気推進船および軸発電機搭載機械推進船が挙げられる。

制御装置３は、メモリおよび演算装置を有しており（いずれも図示せず）、電力変換装置１、バスタイブレーカ４の開閉、発電機５および推進システム２００を制御する。本実施形態の制御装置３は、操作卓４０からの操作情報に従って、移動体の各要素を制御する。制御装置３は、図２のブロック図に示すように、メイン制御部３０と、電力制御部３１と、ドループ制御部３２と、充放電制御部３３と、ドループ制御部３５と、を備える。これらの各部は、演算装置においてメモリに格納されたプログラムが実行されることにより実現される機能である。なお、電力制御部３１、ドループ制御部３２、充放電制御部３３、および、ドループ制御部３５の機能は、それぞれ、第１電力変換器１１の演算装置、第２電力変換器１２の演算装置、第３電力変換器１３の演算装置、発電機５のエンジン制御装置のプログラムに含めてもよい。

メイン制御部３０は、例えば操作卓４０に設けられたレバーから入力されたレバーの位置を示す操作情報に基づいて推進システム２００の動作モードを選択し、推進システム２００の構成機器を起動・停止させる。メイン制御部３０は、移動体の動作モードに応じてバスタイブレーカ４の開閉指令を生成するが、例えば運転者によって直接バスタイブレーカ４を開閉してもよい。また、メイン制御部３０の一部の機能は、船舶の電力需給を管理するパワマネジメントシステムのプログラムに含めてもよい。また、メイン制御部３０は、発電機５を起動・停止してもよいし、パワマネジメントシステムから起動・停止されてもよい。パワマネジメントシステムは、後述するドループ制御におけるドループ特性線の調整や電力変換装置の電力実績値の管理を行う。

電力制御部３１は、第２電力変換器１２の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分で与えられる第１電力指令値に基づいて、第１電力変換器１１が電力変換する電力が第１電力指令値になるよう第１電力変換器１１を制御する。電力制御部３１は、フィルタ３１１を備える（図３のブロック図参照）。フィルタ３１１は一定の時定数を有するローパスフィルタ又は移動平均フィルタである。メイン制御部３０から第２電力変換器１２の電力実績値が入力され、フィルタ３１１は、第２電力変換器１２の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分のみを通過し、これを第１電力指令値として第１電力変換器１１に出力する。

ドループ制御部３２は、第２電力変換器１２をドループ制御する。「ドループ制御」とは、制御装置３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２電力変換器１２に発電機に相当する特性を持たせる制御である。第２電力変換器１２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。尚、「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、例えば「G. Marina & E. Gatti, “Large Power PWM IGBT Converter for Shaft Alternator Systems”, 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004」を参照されたい。なお、「ドループ制御」においては、電力系統の周波数と、電力系統に対して第２電力変換器１２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ドループ制御部３２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。

充放電制御部３３は、第３電力変換器１３において、電圧センサおよび電流センサ（図示せず）からのセンサデータに基づいて直流中間部９の電圧を監視して、直流中間部９の電圧が一定の値となるように電力貯蔵装置２の充放電制御を行う。充放電制御部３３は、直流中間部９の電圧の変化に応じて第３電力変換器１３により電力貯蔵装置２の充放電を制御する。これによって、直流中間部９に流入する電力と直流中間部９から流出する電力の差分が電力貯蔵装置２に吸収される。

ドループ制御部３５は、有効電力を検出し、ドループ特性に基づいて周波数目標値を求め、発電機５の原動機(エンジン・タービン等)の回転数制御を行う。負荷変動に対する周波数変動の追従の速さは、発電機の慣性などの機械的特性によって決まる。

次に、移動体の配電システム１００の動作について説明する。操作卓４０のレバー操作によって選択された移動体の動作モードに応じてバスタイブレーカ４の開閉が制御される（図２参照）。メイン制御部３０は第２電力負荷７ｂ（例えばクレーン）を運転する所定の動作モードが選択された場合にはバスタイブレーカ４の開指令を生成し、これをバスタイブレーカ４に送信する。図４は、バスタイブレーカ４が開かれた場合の移動体の配電システム１００の構成を示すブロック図である。図４に示すように、バスタイブレーカ４によって、第１電力系統（８ａ）および第２電力系統（８ｂ）の間は遮断状態になっている。第１電力系統（８ａ）では、発電機５から第１電力負荷７ａに直接電力が供給されるが、第２電力系統（８ｂ）は第１電力系統（８ａ）から分離されているので、第１電力系統（８ａ）から第１電力変換器１１及び第２電力変換器１２を介して第２電力負荷７ｂに電力が供給される。

このとき、第２電力変換器１２を通じて第２電力系統（８ｂ）に供給される電力は、第２電力負荷７ｂの運転状況に応じて変化し、これに応じて第２電力系統（８ｂ）の周波数も変化する。具体的には、第２電力変換器１２は、ドループ制御部３２（図２参照）によって、ドループ制御されている。以下では、図４のようにバスタイブレーカ４が開かれて第２電力変換器１２が発電機５とは自立して運転する場合を単独運転という。単独運転では、発電電力は負荷の運転状況によって決定される。図５は、単独運転時の第２電力変換器１２のドループ制御に使用されるドループ特性線である。図５に示すように、ドループ特性は有効電力（発電時を正とする）と系統周波数との関係であり、有効電力が大きいほど系統周波数が低くなるよう設定される。ドループ率は、定格負荷時の周波数と無負荷時の周波数との差を定格周波数で除したもので定義される。通常、ドループ率は、各電力源で同じ値に設定されるが、必要に応じて異なる値に設定してもよい。ドループ制御部３２は、第２電力系統（８ｂ）の周波数と第２電力変換器１２の電力実績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第２電力変換器１２をドループ制御する。

図５（ａ）は、第２電力変換器１２の定常状態において設定されるドループ特性線である。図５（ａ）に示すように、定常状態では第２電力変換器１２が第２電力系統（８ｂ）に電力Ｐ１を供給している場合、ドループ特性線は、Ｐ１に対応する周波数が標準周波数（周波数目標値）Ｆｓとなるように、設定される（図の×印を通る線となる）。

図５（ｂ）は、第２電力負荷７ｂ（例えばクレーン）において急激な負荷変動が生じた場合のドループ特性線を示している。ここでは急激な負荷変動により、第２電力変換器１２が第２電力系統（８ｂ）に供給する電力がＰ１からＰ２に増大した場合を想定する。図５（ｂ）に示すように、第２電力変換器１２は、ドループ特性線に従って、第２電力系統（８ｂ）の周波数を低下させる（直線上の（１）の×印）。その後、パワマネジメントシステムによって、低下した第２電力系統（８ｂ）の周波数を目標値である標準周波数Ｆｓに戻すべくドループ特性線を調整する（（２）の矢印方向）。

図５（ｃ）は、パワマネジメントシステムからの調整によって新たに設定された第２電力変換器１２のドループ特性線である。図５（ｃ）に示すように、新たなドループ特性線では、Ｐ２に対応する周波数が標準周波数（周波数目標値）Ｆｓとなるように設定されている。このように、第２電力負荷７ｂ（例えばクレーン）において急激な負荷変動が生じた場合であっても、第２電力変換器１２はドループ制御されているので、第２電力変換器１２は自立運転時には発電機と同様に機能することができる。これにより、第２電力負荷７ｂへの電力供給を継続することができる。単独運転では、電力貯蔵装置２が電力源であるため、エンジン発電機と異なり、負荷変動が問題とならない。

一方、第１電力変換器１１は第１電力系統（８ａ）から消費する電力を調整する。具体的には、第１電力変換器１１は第２電力変換器１２の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分で与えられる第１電力指令値に基づいて制御されているので、所定周波数未満の低周波数成分の電力変動は第１電力系統における負荷変動として現れ、所定周波数以上の周波数成分の電力変動は電力貯蔵装置２で吸収される。これにより、発電機５からみた負荷変動は抑制され、急激な負荷変動による発電機５のトリップを防ぐことができる。

次に、第２電力負荷７ｂ（例えばクレーン）を運転しない所定の動作モードが選択された場合の配電システム１００の動作について説明する。図６は、バスタイブレーカ４が閉じられた場合の移動体の配電システム１００の構成を示すブロック図である。図６に示すように、配電システム１００は、バスタイブレーカ４によって、第１電力系統（８ａ）および第２電力系統（８ｂ）が接続状態になっている。これにより、第１電力系統（８ａ）から第１電力変換器１１及び第２電力変換器１２を介して第２電力系統（８ｂ）へ至る給電経路に対して並列を成す経路が形成される。以下では、バスタイブレーカ４が閉じられて第２電力変換器１２が発電機５と連系して運転する場合を連系運転という。連系運転時には、連系している発電機または電力変換器の電力負荷分担率を制御することができる。尚、連系運転時は「第１電力系統」と「第２電力系統」を区別することなく、単に「電力系統」と呼ぶ。また、連系運転時では「第２電力負荷７ｂ」は運転しないので、「第１電力負荷７ａ」と「第２電力負荷７ｂ」を区別することなく、単に「電力負荷」と呼ぶ。

図７は、連系運転時の第２電力変換器１２と発電機５のドループ制御に使用されるドループ特性線である。第２電力変換器１２は、電力系統の周波数と第２電力変換器１２の電力実績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ドループ制御される。発電機５も、同様に、ドループ特性線上の一点となるようにドループ制御される。

図７（ａ）は、第２電力変換器１２および発電機５の定常状態において設定されるドループ特性線である。図７（ａ）に示すように、第２電力変換器１２のドループ特性線は、定常状態では第２電力変換器１２が電力系統に電力を授与しないように、電力系統の標準周波数（周波数目標値）Ｆｓに対して電力指令値を０ｋＷに設定される（直線上の×印）。一方、発電機５のドループ特性線は、定常状態では発電機５が電力系統に電力を授与するように、電力系統の標準周波数（周波数目標値）Ｆｓに対して電力指令値Ｐｃ１に設定される（直線上の×印）。いま、第２電力変換器１２の電力指令値は０ｋＷであるから、このＰｃ１は電力系統で消費されている負荷の電力に一致する。図７（ｂ）は、電力負荷７において負荷変動が生じた場合のドループ特性線を示している。ここでは電力負荷がＰｃ１からＰｃ２と小さくなった場合を想定している。このとき、発電機５の発電電力と、電力変換器１２の発電電力の和がＰｃ２となるように、ドループ特性線にしたがって、互いの運転点が変化する。図７（ｂ）に示すように、周波数は上昇し、第２電力変換器１２の運転点は直線上の（１）の×印に移動する。この場合、電力変換器１２は電力系統から電力を消費することになる。負荷変動に対する周波数変動の追従の速さは、発電機の慣性などの機械的特性と電力変換器の動作特性によって決まる。その後、パワマネジメントシステムによって、上昇した電力系統の周波数を標準周波数Ｆｓに、電力変換器１２の電力を０ｋWに戻すべく各々のドループ特性線を調整する（（２）の矢印方向）。

図７（ｃ）は、新たに設定された第２電力変換器１２および発電機５のドループ特性線である。過渡的には第２電力変換器１２のドループ特性線は変化するが、最終的には、図７（ｃ）に示すように、第２電力変換器１２のドループ特性線は、元の運転点（電力指令値（０ｋＷ），系統周波数が標準周波数Ｆｓ）に戻る。新たな定常状態では発電機５が負荷消費電力（Ｐｃ２）の１００％を担う。このように、第２電力変換器１２の電力を０ｋＷとなるようにドループ特性線を調整することにより、電力負荷の変動成分のみを第２電力変換器１２および発電機５で分担することができる。

このように、第２電力変換器はドループ制御により、発電機５と連系して運転しているので、発電機５が故障した場合であっても、電力負荷７に電力を供給することができるので停電に至ることはない。この場合、電力変換器１２は単独運転となり、必要な電力は電力貯蔵装置２から給電することができる。

従って、本実施形態によれば、移動体の電力系統において、バスタイブレーカ４によって電力負荷７への給電経路を切替えることにより、急激な変動をもつ電力負荷７の運転の有無を問わず、発電機１台で移動体の電力系統を運用することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の移動体の配電システムの構成は、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８は、本発明の第２実施形態に係る移動体の配電システムを備える移動体の構成を概略的に示す図である。図８に示すように、配電システム１００Ａは、第１実施形態（図１）と比べて、電気推進システムを搭載した船舶に適用される点が異なる。具体的には、電力変換装置１Ａは直流中間部９に接続された第４電力変換器１４を更に備え、推進システム２００Ａは、第４電力変換器１４の交流端に接続された電動発電機９０、および、電動発電機９０の推進軸に減速装置６０を介して取り付けられた推進器８０を備える。

電気推進船では、電動発電機９０は推進器８０の主駆動源として機能する。電動発電機９０は、バスライン８に接続された発電機５から第１電力変換器１１及び第４電力変換器１４を介して電力を受給して駆動力を発生し、それを推進器８０に授与することによって、推進器８０を駆動する。電気推進船では、電動発電機９０は、専ら電動機として動作するが、発電機として動作してもよい。

第１電力変換器１１は、第１電力指令値に基づいて電力制御され、第４電力変換器１４は、第４電力指令値に基づいて電力制御される。制御装置３Ａは、第１電力変換器１１を制御する電力制御部３１とともに、第４電力変換器１４を制御する電力制御部３４を備えている（図９のブロック図参照）。

図１０は、制御装置３Ａの内部の一例を概略的に示すブロック図である。図１０に示すように、第１電力変換器１１の電力制御部３１は、第１フィルタ３１１と、第２フィルタ３１２と、加算器３１３とを備える。

第１フィルタ３１１は一定の時定数を有するローパスフィルタ又は移動平均フィルタである。メイン制御部（３０）から第２電力変換器１２の電力実績値が第１フィルタ３１１に入力される。第１フィルタ３１１は、第２電力変換器１２の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分のみを通過し、これを加算器３１３に出力する。

第２フィルタ３１２は一定の時定数を有するローパスフィルタ又は移動平均フィルタである。パワマネジメントシステムから第４電力変換器１４の電力実績値が第２フィルタに入力される。第２フィルタ３１２は、第４電力変換器１４の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分のみを通過し、これを加算器３１３に出力する。

加算器３１３は、第２電力変換器１２の実績値の低周波成分と第４電力変換器１４の電力実績値の低周波成分とを加算し、これを第１電力指令値として第１電力変換器１１に出力する。尚、第１フィルタ３１１の時定数と第２フィルタ３１２の時定数は同じでもよいし、異なってもよい。

図１０の構成によれば、上記実施形態の効果に加え、第１電力指令値が第２電力変換器１２の実績値の低周波成分と第４電力変換器１４の電力実績値の低周波成分との和で与えられるので、例えば電動発電機９０の電力変動および第２電力負荷７ｂの急激な負荷変動によって生じる第１電力系統（８ａ）への影響を抑制することができる。特に急激な変動を含む第２電力負荷７ｂを運転せずにバスタイブレーカ４を閉じる場合は、第４電力変換器１４の電力実績値の低周波数成分を第１電力指令値としてもよい。

また、図１０に示すように、メイン制御部３０は、第１ルックアップテーブル３０１および第２ルックアップテーブル３０２を備える。

第１ルックアップテーブル３０１には、操作卓４０に設けられたレバーから入力されたレバーの位置を示す操作情報（例えば節電指令）が入力される。第１ルックアップテーブル３０１は、操作卓４０のレバー位置に応じた電動発電機９０の電力指令値が予め記憶されており、入力された操作情報に応じてレバー位置に対応する電動発電機９０の電力指令値を設定し、これを第４電力変換器１４の電力制御部３４に出力する。

第２ルックアップテーブル３０２には、操作卓４０に設けられたレバーから入力されたレバーの位置を示す操作情報（例えば速度指令）が入力される。第２ルックアップテーブル３０２は、操作卓４０のレバー位置に応じた電動発電機９０の回転数指令値が予め記憶されており、入力された操作情報に応じてレバー位置に対応する電動発電機９０の回転数指令値を設定し、これを第４電力変換器１４の電力制御部３４に出力する。

また、図１０に示すように、第４電力変換器１４の電力制御部３４は、加減算器３４１と、ＰＩＤ制御部３４２と、切替スイッチ３４３とを備える。

加減算器３４１には、第２ルックアップテーブル３０２より入力された電動発電機９０の回転数指令値から、回転数検出手段（図示せず）より入力された実際の回転数を減算し、これをＰＩＤ制御部３４２に出力する。

ＰＩＤ制御部３４２は、入力された回転数指令値と実際の電動発電機９０の回転数との偏差を比例処理、積分処理および微分処理することによって電動発電機９０の電力指令値を生成し、これを切替スイッチ３４３に出力する。尚、積分処理や微分処理については、省略してもよい。

切替スイッチ３４３は、第１ルックアップテーブル３０１より設定された電動発電機９０の電力指令値と、ＰＩＤ制御部３４２より生成された電動発電機９０の電力指令値のいずれかを第４電力指令値として第４電力変換器１４に出力する。

切替スイッチ３４３はメイン制御部３０からの切替指令により操作を行うことができる。
また、切替スイッチ３４３が存在せず、電動発電機電力指令値、電動発電機回転数指令値のいずれかのみを用いる推進システムであっても構わない。

従って、第４電力指令値は、操作卓４０から与えられる電動発電機９０の回転数指令値と電動発電機９０の実際の回転数との偏差に基づく回転数制御によって得られる電動発電機９０の電力指令値であるか、又は、操作卓４０から与えられる電動発電機９０の電力指令値であるので、操作卓４０から回転数指令値又は電力指令値を与えることにより、第４電力変換器１４によって電動発電機９０の回転数制御又は電力制御を行うことができる。

図１１は、制御装置３Ａ内部のその他の例を概略的に示すブロック図である。図１１に示すように、制御装置３Ａは、ＳＯＣ演算部４１１と、充放電電力指令値演算部４１２と、電力分配演算部４１３と、加算器４１４と、加算器４１５とを備える。

ＳＯＣ演算部４１１には、パワマネジメントシステムから第３電力変換器１３の電流実績値、又は、電力実績値が入力される。ＳＯＣ演算部４１１は、第３電力変換器１３の電流実績値、又は、電力実績値に基づいて電力貯蔵装置２の充電率を計算し、これを充放電電力指令値演算部４１２に出力する。

充放電電力指令値演算部４１２は、電力貯蔵装置２の充電率に基づいて充放電電力指令値を演算し、これを電力分配演算部４１３に出力する。

電力分配演算部４１３は、充放電電力指令値に基づいて、充電率が所定の範囲内に収まるように充放電を行うよう、第１充放電補正電力指令値、及び、第４充放電補正電力指令値を計算し、第１充放電補正電力指令値を加算器４１４に出力し、第４充放電補正電力指令値を加算器４１５に出力する。

加算器４１４は、第１電力指令値に第１充放電補正電力指令値を加算し、これを第１電力変換器１１に出力する。尚、第１電力指令値は第２電力変換器１２の実績値の低周波成分と第４電力変換器１４の電力実績値の低周波成分との和（図１０の加算器３１３の出力値）を用いてもよいし、所定の値を用いてもよい。

加算器４１５は、第４電力指令値に第４充放電補正電力指令値を加算し、これを第４電力変換器１４に出力する。尚、第４電力指令値は操作卓４０からの回転数指令値又は電力指令値から得られた値（図１０の切替スイッチ３４３の出力値）を用いてもよいし、所定の値を用いてもよい。

従って、図１１の構成によれば、第３電力変換器１３の実績値に基づいて、第１充放電補正電力指令値および第４充放電補正電力指令値を加算することにより、電力貯蔵装置２のＳＯＣ制御を実現できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態の移動体の配電システムの構成は、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１２は、本発明の第３実施形態に係る移動体の配電システムを備える移動体の構成を概略的に示す図である。図１２に示すように、配電システム１００Ｂは、第１実施形態（図１）と比べて、ハイブリッド型の推進システムを搭載した船舶に適用される点が異なる。具体的には、電力変換装置１Ａが直流中間部９に接続された第４電力変換器１４を更に備え、推進システム２００Ｂは、第４電力変換器１４の交流端に接続された電動発電機９０、および、電動発電機９０の推進軸に減速装置６０を介して取り付けられた主機７０および推進器８０を備える。

ハイブリッド船では、主機７０は推進器８０の主駆動源として機能し、電動発電機９０は推進器８０の補助駆動源として機能する。電動発電機９０は、バスライン８に接続された発電機５から第１電力変換器１１及び第４電力変換器１４を介して電力を受給して駆動力を発生し、それを推進器８０に授与することによって、主機７０による推進器８０の駆動をアシストする。また、電動発電機９０は、主機７０から動力を受給して発電し、それを第４電力変換器１４及び第１電力変換器１１を介してバスライン８に授与することによって発電機５によるバスライン８への電力供給をアシストする。あるいは、発電機５を停止して、電動発電機９０を主たる電力源としてもよい。

尚、本実施形態では「移動体」は船舶であるが、特に限定されず、移動するものであれば、車両（鉄道車両、自動車等）、飛行機でもよい。また、「推進器」は、船舶用プロペラであるが、特に限定されず、移動体を推進するものであれば、車輪、飛行用プロペラでもよい。

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、船舶等の移動体の電力系統に有用である。

１ 電力変換装置
２ 電力貯蔵装置
３ 制御装置
４ バスタイブレーカ
５ 発電機
６ 原動機
７ 電力負荷
７ａ 第１電力負荷（急変動あり）
７ｂ 第２電力負荷（急変動なし）
８ バスライン
８ａ 第１バスライン（第１電力系統）
８ｂ 第２バスライン（第２電力系統）
９ 直流中間部
１１ 第１電力変換器
１２ 第２電力変換器
１３ 第３電力変換器
４０ 操作卓
６０ 減速装置
７０ 主機
８０ 推進器
９０ 電動発電機
１００ 移動体の配電システム

Claims (7)

1. 原動機を駆動力とする発電機、及び、負荷によって消費または負荷から回生される電力の変動量が所定値未満の第１電力負荷、に接続される第１電力系統と、
   前記変動量が前記所定値以上となり得る第２電力負荷に接続される第２電力系統と、
   交流端が前記第１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、
   交流端が前記第２電力系統に接続され且つ直流端が前記直流中間部に接続された第２電力変換器と、
   両直流端がそれぞれ前記直流中間部と電力貯蔵装置に接続された第３電力変換器と、
   前記第１電力系統及び前記第２電力系統の間を開閉可能に接続すると共に、前記第１電力系統から前記第１電力変換器及び前記第２電力変換器を介して前記第２電力系統へ至る給電経路に対して並列を成す経路を構成するバスタイブレーカと、を備え、
   前記バスタイブレーカは、前記第２電力負荷が運転していないときには接続状態とされる一方、前記第２電力負荷が運転しているときには遮断状態とされ、
   前記第１電力変換器は、前記第２電力変換器の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分で与えられる第１電力指令値に基づいて制御され、前記第２電力変換器はドループ制御され、前記第３電力変換器は前記直流中間部に流出入する電力の不平衡を解消するよう電力を制御される、
   移動体の配電システム。
2. 前記第２電力系統の周波数と前記第２電力変換器の電力実績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前記第２電力変換器をドループ制御し、
   前記第２電力系統を前記第１電力系統から遮断した場合には、前記第２電力系統の周波数を標準周波数とするように前記ドループ特性線を調整し、
   前記第２電力系統を前記第１電力系統に接続した場合には、前記第２電力変換器の電力を０ｋＷとし、且つ、前記第２電力系統の周波数を標準周波数とするように調整する、請求項１に記載の移動体の配電システム。
3. 前記直流中間部に接続された第４電力変換器を更に備え、
   前記第４電力変換器の交流端には電動機が接続され、前記電動機の推進軸には推進器が取り付けられている、請求項１又は２に記載の移動体の配電システム。
4. 前記直流中間部に接続された第４電力変換器を更に備え、
   前記第４電力変換器の交流端には電動発電機が接続され、電動発電機の推進軸に主機および推進器が取り付けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の移動体の配電システム。
5. 前記第１電力指令値は、前記第２電力変換器の実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分と前記第４電力変換器の電力実績値のうち所定周波数未満の低周波数成分との和で与えられる、請求項３又は４に記載の移動体の配電システム。
6. 前記第４電力変換器は、第４電力指令値に基づいて電力制御され、
   前記第４電力指令値は、操作卓から与えられる前記電動発電機の回転数指令値と、前記電動発電機の実際の回転数との偏差に基づく回転数制御によって得られる電動発電機の電力指令値であるか、又は、操作卓から与えられる電動発電機の電力指令値である、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の移動体の配電システム。
7. 前記電力貯蔵装置の充電率は、前記第３電力変換器の電流実績値、又は、電力実績値に基づいて計算され、
   充電率が所定の範囲内に収まるように充放電を行うよう、第１充放電補正電力指令値、及び、第４充放電補正電力指令値が計算され、
   前記第１充放電補正電力指令値は前記第１電力指令値に加算され、
   前記第４充放電補正電力指令値は前記第４電力指令値に加算される、請求項３乃至６のいずれか一項に記載の移動体の配電システム。

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