TWI661635B - 移動體之配電系統 - Google Patents

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TWI661635B TW107102821A TW107102821A TWI661635B TW I661635 B TWI661635 B TW I661635B TW 107102821 A TW107102821 A TW 107102821A TW 107102821 A TW107102821 A TW 107102821A TW I661635 B TWI661635 B TW I661635B
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江崎秀明
Kazuma TOKUYAMA
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小野寺達也
Yoshiteru Harada
原田芳輝
Yasunori KUJIME
久次米泰典
Tatsuya Ohno
大野達也
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Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha
日商川崎重工業股份有限公司
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Abstract

移動體之配電系統具備：第1電力系統，其連接於發電機、及電力之變動量未達既定值之第1電力負載；第2電力系統，其連接於變動量可變成既定值以上之第2電力負載；第1電力變換器；第2電力變換器；第3電力變換器；及匯流排聯絡斷路器。匯流排聯絡斷路器於第2電力負載未運轉時設為連接狀態，另一方面，於第2電力負載運轉時設為阻斷狀態，第1電力變換器係基於以第2電力變換器之電力實績值中之未達既定頻率之低頻率成分賦予之第1電力指令值而受到控制，第2電力變換器係受到下垂控制。第3電力變換器係控制電力以消除對於直流中間部流入或流出之電力之不平衡。

Description

移動體之配電系統
本發明係關於一種移動體之配電系統。
習知，例如已知有一種船舶等移動體之推進系統(參照專利文獻1)。最近，自藉由高負荷地使用發電機而提昇效率、及降低維護成本之觀點出發，期望僅由一台發電機運行移動體之電力(以下亦稱為單機發電運轉(single generator operation))。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2016-55850號公報
但是，於假定以一台發電機提供上述習知之移動體之推進系統之運行所需之電力之情形時，有因具急遽變動之電力負載(例如起重機等)而導致發電機跳閘之虞，故而存在停電之風險。因此，於使用具急遽變動之電力負載之情形時，需要運轉追加之發電機。
或者，亦可代替追加之發電機，透過電力變換裝置將蓄電裝置連接於電力系統，利用發電機與蓄電裝置分擔電力之變動量。但是，為了讓蓄電裝置分擔變動量之大部分，便需要於各負載設置電力計測手段以求出變動量，在發電機之電機系統響應之前高速地控制電力變換裝置之電力。
本發明係為了解決如上述般之課題研究而完成者，其目的在於藉由簡單之方法，即便於使用具急遽變動之電力負載之情形時，亦可利用一台發電機運行移動體之電力系統。
為達成上述目的，本發明之某形態之移動體之配電系統具備：第1電力系統，其連接於以原動機為驅動力之發電機、及由負載所消耗或自負載再生之電力之變動量(以下稱為電力負載變動)未達既定值之第1電力負載；第2電力系統，其連接於電力負載變動可變成上述既定值以上之第2電力負載；第1電力變換器，其交流端連接於上述第1電力系統，且其直流端連接於直流中間部；第2電力變換器，其交流端連接於上述第2電力系統，且其直流端連接於上述直流中間部；第3電力變換器，其兩直流端分別連接於上述直流中間部及蓄電裝置；以及匯流排聯絡斷路器，其構成相對於供電路徑並聯之路徑，該供電路徑係自上述第1電力系統經由上述第1電力變換器及上述第2電力變換器而到達上述第2電力系統；且上述匯流排聯絡斷路器於上述第2電力負載未運轉時設為連接狀態，另一方面，於上述第2電力負載運轉時設為阻斷狀態，上述第1電力變換器係基於以上述第2電力變換器之電力實績值(active value)中之未達既定頻率之低頻率成分賦予之第1電力指令值而受到控制，上述第2電力變換器係受到下垂控制，上述第3電力變換器係控制電力以消除對於上述直流中間部流入或流出之電力之不平衡。
根據上述構成，於電力負載變動(例如電力之時間變化率、電力之既定頻率成分之振幅、或階梯(step)狀之電力變動量等)可變成既定值以上之第2電力負載運轉之情形時，打開匯流排聯絡斷路器，將第1電力系統及第2電力系統之間設為阻斷狀態。藉此，於第1電力系統中自發電機直接向第1電力負載供給電力，另一方面，通過自第1電力系統經由第1電力變換器及第2 電力變換器而到達第2電力系統之供電路徑，向第2電力負載供給電力。第2電力變換器之電力係根據負載之運轉狀況而按趨勢變化。另一方面，電力自發電機至直流中間部為止之流動係由第1電力變換器控制。又，以吸收對於直流中間部流入或流出之電力差之方式對第3電力變換器進行控制。藉此，第1電力變換器與第2電力變換器之電力差自動地被蓄電裝置吸收。於第2電力負載中產生急遽之負載變動之情形時，由於第2電力變換器受到下垂控制，故而能夠繼續向第2電力負載供給電力。又，由於第1電力變換器係基於以第2電力變換器之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分賦予之第1電力指令值而受到控制，故而僅電力負載變動之中未達既定頻率之低頻率成分以第1電力系統之電力變動的形式出現，既定頻率以上之頻率成分藉由第3電力變換器之控制而被蓄電裝置吸收。藉此，發電機引擎之負載變動得到抑制，可防止由急遽之負載變動引起的發電機之跳閘。如此，僅藉由調整既定頻率便可設定發電機引擎之負載變動之大小，故而控制調整容易，且亦無須於各負載設置電力計測手段。
另一方面，於第2電力負載未運轉之情形時，關閉匯流排聯絡斷路器，將第1電力系統及第2電力系統設為連接狀態。藉此，形成相對於供電路徑並聯之路徑，該供電路徑係自第1電力系統經由第1電力變換器及第2電力變換器而到達第2電力系統。由於第2電力變換器受到下垂控制，故而可與發電機(第1電力系統)互連運轉。即便於發電機發生故障之情形時，亦可藉由下垂控制之效果，不會導致停電地自蓄電裝置進行供電。因此，無論有無具急遽變動之電力負載之運轉，均可藉由一台發電機運行移動體之電力系統。
亦可為，上述移動體之配電系統以成為下垂特性線上之一點的方式對上述第2電力變換器進行下垂控制，該下垂特性線表示上述第2電力系統之頻率與上述第2電力變換器之電力實績值之關係，於將上述第2電力系統自上述第1電力系統阻斷之情形時，以將上述第2電力系統之頻率設為標準頻率之方 式對上述下垂特性線進行調整，於將上述第2電力系統連接於上述第1電力系統之情形時，以將上述第2電力變換器之電力設為0kW、且將上述第2電力系統之頻率設為標準頻率之方式進行調整。
根據上述構成，由於第2電力變換器係以成為下垂特性線上之一點的方式受到下垂控制，該下垂特性線表示第2電力系統之頻率與第2電力變換器之電力實績值之關係，故而於將包含第2電力負載之第2電力系統自連接有發電機之第1電力系統阻斷之情形時，第2電力系統之頻率依照下垂特性線相對於第2電力負載之急遽變動而變動。即，第2電力變換器於獨立運轉時可與發電機同樣地發揮功能。進而，可與發電機同樣地，以將變動後之頻率設為標準頻率之方式對下垂特性線進行調整。
另一方面，於將第2電力系統連接於第1電力系統之情形時，第2電力變換器係與發電機並聯地運轉，可藉由調整下垂特性線而調整穩定負載之分擔率。尤其是，於將第2電力變換器之穩定負載分擔率設為0%(電力0kW)之情形時，在穩定狀態下發電機承擔負載消耗電力之100%。藉此，可抑制因第2電力變換器導致之損耗。另一方面，於電力負載已變動之情形時，第2電力變換器及發電機之兩者過渡性地依照下垂特性線而變動。因此，可使第2電力變換器及發電機僅分擔電力負載之變動成分。此時，由於第2電力負載本就未運轉，故而即便發電機負擔變動成分之一半左右亦無問題。進而，即便發電機發生故障而自第1電力系統斷開，亦可不會導致停電地由第2電力變換器代替進行電力供給。此時之電力係自蓄電裝置供給。該點表示本運行中蓄電裝置可透過第2電力變換器及第3電力變換器而作為備用電源利用。
亦可為，上述移動體之配電系統進而具備連接於上述直流中間部之第4電力變換器，於上述第4電力變換器之交流端連接有電動發電機，於上述電動發電機之推進軸安裝有推進器。
根據上述構成，可應用於移動體之電推進系統。
亦可為，上述移動體之配電系統進而具備連接於上述直流中間部之第4電力變換器，於上述第4電力變換器之交流端連接有電動發電機，於電動發電機之推進軸安裝有主機及推進器。
根據上述構成，可應用於移動體之混合推進系統。
亦可為，上述第1電力指令值係由上述第2電力變換器之實績值中的未達既定頻率之低頻率成分、與上述第4電力變換器之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分之和而賦予。
根據上述構成，由於第1電力指令值係由第2電力變換器之實績值之低頻成分與上述第4電力變換器之電力實績值之低頻成分之和而賦予，故而可抑制因例如電動機之電力變動及第2電力負載之急遽之負載變動而對第1電力系統產生之影響。尤其是，於不運轉包含急遽變動之第2負載而將匯流排聯絡斷路器關閉之情形時，第1電力指令值亦可僅賦予第4電力變換器之電力實績值之低頻率成分。
亦可為，上述第4電力變換器係基於第4電力指令值而受到電力控制，上述第4電力指令值係藉由基於自操作台賦予之上述電動發電機之轉數指令值與上述電動發電機之實際轉數之偏差的轉數控制所得之電動發電機之電力指令值、或者係自操作台賦予之電動發電機之電力指令值。
根據上述構成，藉由自操作台賦予轉數指令值或電力指令值，可由第4電力變換器進行電動發電機之轉數控制或電力控制。
亦可為，上述蓄電裝置之充電率係基於上述第3電力變換器之電流實績值、或電力實績值而計算，為了以充電率落在既定範圍內之方式進行充放電，而計算第1充放電修正電力指令值、及第4充放電修正電力指令值，將上 述第1充放電修正電力指令值與上述第1電力指令值相加，將上述第4充放電修正電力指令值與上述第4電力指令值相加。
第1電力變換器與第2電力變換器及第4電力變換器之電力差自動地藉由蓄電裝置之充放電而吸收。根據上述構成，基於第3電力變換器之實績值將第1充放電修正電力指令值及第4充放電修正電力指令值相加，藉此可實現蓄電裝置之SOC(State of Charge，充電狀態)控制。
根據本發明，可藉由一台發電機運行移動體之電力系統。
1‧‧‧電力變換裝置
2‧‧‧蓄電裝置
3‧‧‧控制裝置
4‧‧‧匯流排聯絡斷路器
5‧‧‧發電機
6‧‧‧原動機
7‧‧‧電力負載
7a‧‧‧第1電力負載(無急遽變動)
7b‧‧‧第2電力負載(有急遽變動)
8‧‧‧匯流排線
8a‧‧‧第1匯流排線(第1電力系統)
8b‧‧‧第2匯流排線(第2電力系統)
9‧‧‧直流中間部
11‧‧‧第1電力變換器
12‧‧‧第2電力變換器
13‧‧‧第3電力變換器
40‧‧‧操作台
60‧‧‧減速裝置
70‧‧‧主機
80‧‧‧推進器
90‧‧‧電動發電機
100‧‧‧移動體之配電系統
圖1係概略表示具備本發明之第1實施形態之移動體之配電系統之移動體之構成的圖。
圖2係表示圖1之控制裝置之構成之方塊圖。
圖3係表示圖2之電力控制部之構成之方塊圖。
圖4係表示將圖1之聯絡斷路器打開之情形時之移動體之配電系統之構成的方塊圖。
圖5係用於單獨運轉時之第2電力變換器之下垂控制之下垂特性線。
圖6係表示將圖1之聯絡斷路器關閉之情形時之移動體之配電系統之構成的方塊圖。
圖7係用於互連運轉時之第2電力變換器之下垂控制之下垂特性線。
圖8係概略表示具備本發明之第2實施形態之移動體之配電系統之移動體之構成的圖。
圖9係表示圖8之控制裝置之構成之方塊圖。
圖10係概略表示圖9之控制裝置內部之一例之方塊圖。
圖11係概略表示圖9之控制裝置內部之其他例之方塊圖。
圖12係概略表示具備本發明之第3實施形態之移動體之配電系統之移動體之構成的圖。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。以下，所有圖式中對相同或相當之要素附加相同符號，且省略重複之說明。
(第1實施形態)
圖1係概略表示具備本發明之第1實施形態之移動體之配電系統100之移動體之構成的圖。如圖1所示，移動體之配電系統100具備一台發電機5、電力負載7、電力變換裝置1、蓄電裝置2、交流之匯流排線8、匯流排聯絡斷路器4、控制裝置3、及推進系統200。
發電機5係向電力負載7供給電力之主電力源。發電機5以原動機6為驅動力，提供於移動體使用之電力。若該電力之變動非常大，則有因引擎跳閘導致自發電機5之電力供給被阻斷之虞。
電力負載7包含連接於交流之匯流排線8之第1電力負載7a及第2電力負載7b。第1電力負載7a係消耗自發電機5供給之電力之機器。第1電力負載7a設有複數個，均為不包含急遽之電力之負載變動之機器。第1電力負載7a包含例如船舶之照明、空調等客棧負載(hotel loads)等連續動作之設備、絞車、主機70之引擎起動馬達等短時間動作之裝置。第2電力負載7b係消耗電力之例如起重機等包含急遽之電力之負載變動之機器。該等裝置分別連接於交流之匯流排線8。此外，所謂「包含急遽之變動」，係指電力之時間變化率、電力之既定頻率成分之振幅、或階梯狀之電力變動量等與被消耗之電力之變動相關的 各種物理量為既定值以上。所謂「不包含急遽之變動」，係指該等各種物理量未達既定值。既定值可根據引擎製造商提示之與對負載變動之追隨性能相關之資訊而決定。
交流之匯流排線8係由連接於發電機5、第1電力負載7a及電力變換裝置1之第1匯流排線8a、及連接於第2電力負載7b及電力變換裝置1之第2匯流排線8b構成的供電路徑。第1匯流排線8a及第2匯流排線8b係藉由匯流排聯絡斷路器4而連接或阻斷。匯流排聯絡斷路器4於第2電力負載7b未運轉時設為連接狀態，另一方面，於第2電力負載7b運轉時設為阻斷狀態。於本實施形態中，匯流排聯絡斷路器4之開閉係由控制裝置3控制。以下，於移動體之配電系統100中，將連接於第1匯流排線8a之電力系統稱為「第1電力系統」，將連接於第2匯流排線8b之電力系統稱為「第2電力系統」。換言之，匯流排聯絡斷路器4將第1電力系統(8a)及第2電力系統(8b)之間可開閉地連接，並且可構成相對於供電路徑並聯之路徑，該供電路徑係自第1電力系統(8a)經由第1電力變換器11及第2電力變換器12而到達第2電力系統(8b)。
電力變換裝置1之一端子連接於第1電力系統(8a)，其另一端子連接於第2電力系統(8b)。具體而言，電力變換裝置1具有第1電力變換器11、第2電力變換器12、第3電力變換器13、及直流中間部9。
第1電力變換器11對自第1電力系統(8a)消耗之電力進行調整。第1電力變換器11係AC-DC變換器。第1電力變換器11之交流端連接於第1電力系統(8a)，且第1電力變換器11之直流端連接於直流中間部9。
第2電力變換器12向第2電力系統(8b)供給電力。第2電力變換器12係AC-DC變換器。第2電力變換器12之直流端連接於直流中間部9，且第2電力變換器12之交流端連接於第2電力系統(8b)。
第3電力變換器13係為了消除對於直流中間部9流入或流出之電力之不平衡而控制電力之DC/DC變換器。第3電力變換器13之一直流端連接於直流中間部9，且第3電力變換器13之另一直流端連接於蓄電裝置2。
直流中間部9連接於第1電力變換器11之直流端、第2電力變換器12之直流端、及第3電力變換器13之一直流端。
蓄電裝置2連接於第3電力變換器13之另一直流端。蓄電裝置2係由例如二次電池、電容器構成。作為二次電池，亦可使用例如鋰離子電池、鎳化氫電池及鉛蓄電池。作為電容器，亦可使用例如鋰離子電容器、電雙層電容器、奈米混合電容器、碳奈米管電容器。
本實施形態之配電系統100係應用於搭載有機械推進系統之船舶(以下亦稱為機械推進船)。於機械推進船中，推進系統200具備作為推進器80之主驅動源之主機70。推進器80係船舶用螺旋槳。主機70係以與發電機5獨立開來，僅藉由主機70之推力驅動推進器80之方式構成。此外，推進系統200A之構成係依存於搭載有配電系統100A之船舶之種類而不同，例如列舉混合船、電推進船及搭載軸發電機之機械推進船。
控制裝置3具有記憶體及運算裝置(均未圖示)，控制電力變換裝置1、匯流排聯絡斷路器4之開閉、發電機5及推進系統200。本實施形態之控制裝置3依照來自操作台40之操作資訊，控制移動體之各要素。如圖2之方塊圖所示，控制裝置3具備主控制部30、電力控制部31、下垂控制部32、充放電控制部33、及下垂控制部35。該等各部具有藉由在運算裝置中執行記憶體儲存之程式而實現之功能。此外，電力控制部31、下垂控制部32、充放電控制部33、及下垂控制部35之功能亦可分別包含於第1電力變換器11之運算裝置、第2電力變換器12之運算裝置、第3電力變換器13之運算裝置、發電機5之引擎控制裝置之程式。
主控制部30例如基於自設於操作台40之桿輸入之表示桿之位置 的操作資訊，選擇推進系統200之動作模式，使推進系統200之構成機器起動、停止。雖主控制部30根據移動體之動作模式生成匯流排聯絡斷路器4之開閉指令，但例如亦可藉由運轉人員直接對匯流排聯絡斷路器4進行開閉。又，主控制部30之一部分功能亦可包含於對船舶之電力供求進行管理之電力管理系統之程式。又，主控制部30可使發電機5起動、停止，亦可自電力管理系統使發電機5起動、停止。電力管理系統進行後述之下垂控制中之下垂特性線之調整或電力變換裝置之電力實績值之管理。
電力控制部31基於以第2電力變換器12之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分而賦予之第1電力指令值，以第1電力變換器11經電力變換之電力變成第1電力指令值之方式對第1電力變換器11進行控制。電力控制部31具備濾波器311(參照圖3之方塊圖)。濾波器311係具有固定之時間常數之低通濾波器或移動平均濾波器。自主控制部30輸入第2電力變換器12之電力實績值，濾波器311僅讓第2電力變換器12之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分通過，並將其作為第1電力指令值輸出至第1電力變換器11。
下垂控制部32對第2電力變換器12進行下垂控制。所謂「下垂控制」，係指如下控制：藉由於控制裝置3之內部構建對發電機進行控制之調速器之模型，而使第2電力變換器12具有相當於發電機之特性。當第2電力變換器12具有相當於發電機之特性後，便可無縫切換獨立運轉與系統互連運轉。此外，由於「下垂控制」係眾所周知之技術，故而省略詳細之說明。「下垂控制」之詳細說明請參照例如「G.Marina & E.Gatti,“Large Power PWM IGBT Converter for Shaft Alternator Systems”,35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004」。此外，於「下垂控制」中，藉由各感測器(未圖示)檢測電力系統之頻率、及第2電力變換器12相對於電力系統授受之電力(有效電力)並輸入至下垂控制部32，將其用於下垂控制中之該等之控制。
充放電控制部33於第3電力變換器13中，基於來自電壓感測器及電流感測器(未圖示)之感測器資料對直流中間部9之電壓進行監視，以直流中間部9之電壓變成固定值之方式進行蓄電裝置2之充放電控制。充放電控制部33根據直流中間部9之電壓之變化，利用第3電力變換器13對蓄電裝置2之充放電進行控制。藉此，流入至直流中間部9之電力與自直流中間部9流出之電力之差分被蓄電裝置2吸收。
下垂控制部35檢測有效電力，基於下垂特性求出頻率目標值，進行發電機5之原動機(引擎、渦輪等)之轉數控制。頻率變動相對於負載變動之追隨之速度係藉由發電機之慣性等機械特性而決定。
其次，對移動體之配電系統100之動作進行說明。根據利用操作台40之桿操作所選擇之移動體之動作模式，對匯流排聯絡斷路器4之開閉進行控制(參照圖2)。主控制部30於選擇了運轉第2電力負載7b(例如起重機)之既定之動作模式之情形時，生成匯流排聯絡斷路器4之開指令，並將其發送至匯流排聯絡斷路器4。圖4係表示將匯流排聯絡斷路器4打開之情形時之移動體之配電系統100之構成的方塊圖。如圖4所示，藉由匯流排聯絡斷路器4，使第1電力系統(8a)及第2電力系統(8b)之間變成阻斷狀態。雖於第1電力系統(8a)中，係自發電機5向第1電力負載7a直接供給電力，但由於第2電力系統(8b)係與第1電力系統(8a)分離，故而自第1電力系統(8a)透過第1電力變換器11及第2電力變換器12而向第2電力負載7b供給電力。
此時，通過第2電力變換器12向第2電力系統(8b)供給之電力會根據第2電力負載7b之運轉狀況而變化，且根據此變化，第2電力系統(8b)之頻率亦變化。具體而言，第2電力變換器12係藉由下垂控制部32(參照圖2)而受到下垂控制。以下，將如圖4般打開匯流排聯絡斷路器4而第2電力變換器12與發電機5獨立地運轉之情形稱為單獨運轉。於單獨運轉中，發電電力係根 據負載之運轉狀況而決定。圖5係用於單獨運轉時之第2電力變換器之下垂控制之下垂特性線。如圖5所示，下垂特性係有效電力(發電時設為正)與系統頻率之關係，以有效電力越大則系統頻率變得越低之方式而被設定。下垂率係定義為將額定負載時之頻率與無負載時之頻率之差除以額定頻率所得者。通常，雖下垂率於各電力源中係設定為相同值，但亦可視需要設定為不同值。下垂控制部32以成為下垂特性線上之一點的方式對第2電力變換器12進行下垂控制，該下垂特性線表示第2電力系統(8b)之頻率與第2電力變換器12之電力實績值之關係。
圖5(a)係於第2電力變換器12之穩定狀態下設定之下垂特性線。如圖5(a)所示，於穩定狀態下，於第2電力變換器12向第2電力系統(8b)供給電力P1之情形時，下垂特性線係以與P1對應之頻率變成標準頻率(頻率目標值)Fs之方式而被設定(變成穿過圖之×標記之線)。
圖5(b)表示第2電力負載7b(例如起重機)中產生急遽之負載變動之情形時之下垂特性線。此處，假定因急遽之負載變動而第2電力變換器12向第2電力系統(8b)供給之電力自P1增大至P2之情形。如圖5(b)所示，第2電力變換器12依照下垂特性線，使第2電力系統(8b)之頻率降低(直線上之(1)之×標記)。其後，藉由電力管理系統對使已降低之第2電力系統(8b)之頻率應返回至作為目標值之標準頻率Fs之下垂特性線進行調整((2)之箭頭方向)。
圖5(c)係藉由來自電力管理系統之調整而新設定之第2電力變換器12之下垂特性線。如圖5(c)所示，於新的下垂特性線中，係以與P2對應之頻率變成標準頻率(頻率目標值)Fs之方式設定。如此，即便於第2電力負載7b(例如起重機)中產生急遽之負載變動之情形時，由於第2電力變換器12受到下垂控制，故而第2電力變換器12於獨立運轉時可與發電機同樣地發揮功 能。藉此，可繼續向第2電力負載7b供給電力。於單獨運轉中，由於蓄電裝置2為電力源，故而不同於引擎發電機，負載變動不可能變成問題。
另一方面，第1電力變換器11對自第1電力系統(8a)消耗之電力進行調整。具體而言，由於第1電力變換器11係基於以第2電力變換器12之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分賦予之第1電力指令值而受到控制，故而未達既定頻率之低頻率成分之電力變動以第1電力系統中之負載變動的形式出現，既定頻率以上之頻率成分之電力變動被蓄電裝置2吸收。藉此，自發電機5側觀察之負載變動得到抑制，可防止因急遽之負載變動導致之發電機5之跳閘。
其次，對選擇了不運轉第2電力負載7b(例如起重機)之既定之動作模式之情形時之配電系統100之動作進行說明。圖6係表示於匯流排聯絡斷路器4關閉之情形時之移動體之配電系統100之構成的方塊圖。如圖6所示，配電系統100係藉由匯流排聯絡斷路器4而使第1電力系統(8a)及第2電力系統(8b)變成連接狀態。藉此，形成相對於供電路徑而並聯之路徑，該供電路徑係自第1電力系統(8a)經由第1電力變換器11及第2電力變換器12而到達第2電力系統(8b)。以下，將匯流排聯絡斷路器4關閉而第2電力變換器12與發電機5互連運轉之情形稱為互連運轉。於互連運轉時，可對互連之發電機或電力變換器之電力負載分擔率進行控制。此外，互連運轉時並未區別「第1電力系統」與「第2電力系統」而是僅稱為「電力系統」。又，於互連運轉時由於「第2電力負載7b」不運轉，故而未區別「第1電力負載7a」與「第2電力負載7b」而是僅稱為「電力負載」。
圖7係用於互連運轉時之第2電力變換器之下垂控制之下垂特性線。第2電力變換器12係以成為表示電力系統之頻率與第2電力變換器12之電力實績值之關係之下垂特性線上之一點的方式受到下垂控制。發電機5亦同樣地 以成為下垂特性線上之一點之方式受到下垂控制。
圖7(a)係於第2電力變換器12及發電機5之穩定狀態下設定之下垂特性線。如圖7(a)所示，第2電力變換器12之下垂特性線係以穩定狀態下第2電力變換器12不向電力系統給予電力之方式，相對於電力系統之標準頻率(頻率目標值)Fs而將電力指令值設定為0kW(直線上之×標記)。另一方面，發電機5之下垂特性線係以穩定狀態下發電機5向電力系統給予電力之方式，相對於電力系統之標準頻率(頻率目標值)Fs而設定為電力指令值Pc1(直線上之×標記)。目前，由於第2電力變換器12之電力指令值為0kW，故而上述Pc1係與電力系統消耗之負載之電力一致。圖7(b)表示電力負載7中產生負載變動之情形時之下垂特性線。此處，假定電力負載自Pc1減小至Pc2之情形。此時，彼此之運轉點依照下垂特性線以發電機5之發電電力與電力變換器12之發電電力之和變成Pc2的方式變化。如圖7(b)所示，頻率上升，第2電力變換器12之運轉點移動至直線上之(1)之×標記。於該情形時，電力變換器12係自電力系統消耗電力。頻率變動相對於負載變動之追隨之速度係由發電機之慣性等機械特性及電力變換器之動作特性而決定。其後，藉由電力管理系統，對使上升後之電力系統之頻率應返回至標準頻率Fs、電力變換器12之電力應返回至0kW之各下垂特性線進行調整((2)之箭頭方向)。
圖7(c)係新設定之第2電力變換器12及發電機5之下垂特性線。雖第2電力變換器12之下垂特性線過渡性地變化，但最終如圖7(c)所示，第2電力變換器12之下垂特性線返回至原本之運轉點(電力指令值(0kW)，系統頻率為標準頻率Fs)。於新的穩定狀態下，發電機5承擔負載消耗電力(Pc2)之100%。如此，藉由以將第2電力變換器12之電力設為0kW之方式調整下垂特性線，可使第2電力變換器12及發電機5僅分擔電力負載之變動成分。
如此，由於第2電力變換器係藉由下垂控制而與發電機5互連運轉，故而即便於發電機5發生故障之情形時，亦可向電力負載7供給電力，故而不會導致停電。於該情形時，電力變換器12變成單獨運轉，可自蓄電裝置2供給必要之電力。
因此，根據本實施形態，於移動體之電力系統中，利用匯流排聯絡斷路器4切換對電力負載7之供電路徑，藉此無論有無具急遽變動之電力負載7之運轉，均可利用一台發電機運行移動體之電力系統。
(第2實施形態)
其次，對第2實施形態進行說明。本實施形態之移動體之配電系統之構成係與第1實施形態相同。以下，省略與第1實施形態共通之構成之說明，僅對不同之構成進行說明。
圖8係概略表示具備本發明之第2實施形態之移動體之配電系統之移動體之構成的圖。如圖8所示，與第1實施形態(圖1)相比，配電系統100A之不同點在於其應用於搭載有電推進系統之船舶。具體而言，電力變換裝置1A進而具備連接於直流中間部9之第4電力變換器14，推進系統200A具備連接於第4電力變換器14之交流端之電動發電機90、及透過減速裝置60而安裝於電動發電機90之推進軸之推進器80。
於電推進船中，電動發電機90作為推進器80之主驅動源發揮功能。電動發電機90自連接於匯流排線8之發電機5透過第1電力變換器11及第4電力變換器14而接收電力並產生驅動力，並將驅動力提供給推進器80，藉此驅動推進器80。雖於電推進船中，電動發電機90係專門作為電動機而動作，但亦可作為發電機而動作。
第1電力變換器11基於第1電力指令值而受到電力控制，第4電力變換器14基於第4電力指令值而受到電力控制。控制裝置3A具備對第1電力變換 器11進行控制之電力控制部31，並且具備對第4電力變換器14進行控制之電力控制部34(參照圖9之方塊圖)。
圖10係概略表示控制裝置3A之內部之一例之方塊圖。如圖10所示，第1電力變換器11之電力控制部31具備第1濾波器311、第2濾波器312、及加算器313。
第1濾波器311係具有固定之時間常數之低通濾波器或移動平均濾波器。自主控制部(30)向第1濾波器311輸入第2電力變換器12之電力實績值。第1濾波器311僅讓第2電力變換器12之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分通過，並將其輸出至加算器313。
第2濾波器312係具有固定之時間常數之低通濾波器或移動平均濾波器。自電力管理系統向第2濾波器輸入第4電力變換器14之電力實績值。第2濾波器312僅讓第4電力變換器14之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分通過，並將其輸出至加算器313。
加算器313將第2電力變換器12之實績值之低頻成分與第4電力變換器14之電力實績值之低頻成分相加，並將其作為第1電力指令值輸出至第1電力變換器11。此外，第1濾波器311之時間常數與第2濾波器312之時間常數可相同亦可不同。
根據圖10之構成，除了可獲得上述實施形態之效果以外，由於第1電力指令值係由第2電力變換器12之實績值之低頻成分與第4電力變換器14之電力實績值之低頻成分之和而賦予，故而可抑制例如因電動發電機90之電力變動及第2電力負載7b之急遽之負載變動而對第1電力系統(8a)產生的影響。尤其是，於不運轉包含急遽之變動之第2電力負載7b而將匯流排聯絡斷路器4關閉之情形時，亦可將第4電力變換器14之電力實績值之低頻率成分設為第1電力指令值。
又，如圖10所示，主控制部30具備第1查找表301及第2查找表302。
第1查找表301中被輸入自設於操作台40之桿輸入之表示桿之位置的操作資訊(例如節電指令)。第1查找表301預先記憶與操作台40之桿位置相應之電動發電機90之電力指令值，且根據輸入之操作資訊設定與桿位置對應之電動發電機90之電力指令值，並將其輸出至第4電力變換器14之電力控制部34。
第2查找表302中被輸入自設於操作台40之桿輸入之表示桿之位置的操作資訊(例如速度指令)。第2查找表302預先記憶與操作台40之桿位置相應之電動發電機90之轉數指令值，且根據輸入之操作資訊設定與桿位置對應之電動發電機90之轉數指令值，並將其輸出至第4電力變換器14之電力控制部34。
又，如圖10所示，第4電力變換器14之電力控制部34具備加減算器341、PID控制部342、及切換開關343。
於加減算器341中，自第2查找表302輸入之電動發電機90之轉數指令值減去自轉數檢測手段(未圖示)輸入之實際轉數，並將所得之結果輸出至PID控制部342。
PID控制部342藉由對輸入之轉數指令值與實際電動發電機90之轉數之偏差進行比例處理、積分處理及微分處理而生成電動發電機90之電力指令值，並將其輸出至切換開關343。此外，亦可省略積分處理或微分處理。
切換開關343將由第1查找表301設定之電動發電機90之電力指令值、及由PID控制部342生成之電動發電機90之電力指令值中之任一者作為第4電力指令值輸出至第4電力變換器14。
切換開關343可根據來自主控制部30之切換指令而進行操作。
又，亦可為不存在切換開關343而僅使用電動發電機電力指令值、電動發電機轉數指令值之任一者之推進系統。
因此，第4電力指令值係藉由基於自操作台40賦予之電動發電機90之轉數指令值與電動發電機90之實際轉數之偏差之轉數控制所得的電動發電機90之電力指令值、或者係自操作台40賦予之電動發電機90之電力指令值，故而藉由自操作台40賦予轉數指令值或電力指令值，可利用第4電力變換器14進行電動發電機90之轉數控制或電力控制。
圖11係概率表示控制裝置3A內部之其他例之方塊圖。如圖11所示，控制裝置3A具備SOC運算部411、充放電電力指令值運算部412、電力分配運算部413、加算器414、及加算器415。
與SOC運算部411中，自電力管理系統輸入有第3電力變換器13之電流實績值、或電力實績值。SOC運算部411基於第3電力變換器13之電流實績值、或電力實績值計算蓄電裝置2之充電率，並將其輸出至充放電電力指令值運算部412。
充放電電力指令值運算部412基於蓄電裝置2之充電率運算充放電電力指令值，並將其輸出至電力分配運算部413。
電力分配運算部413基於充放電電力指令值，為了以充電率落在既定範圍內之方式進行充放電，而計算第1充放電修正電力指令值、及第4充放電修正電力指令值，並將第1充放電修正電力指令值輸出至加算器414，將第4充放電修正電力指令值輸出至加算器415。
加算器414將第1充放電修正電力指令值與第1電力指令值相加，並將所得之結果輸出至第1電力變換器11。此外，第1電力指令值可使用第2電力變換器12之實績值之低頻成分與第4電力變換器14之電力實績值之低頻成分之和(圖10之加算器313之輸出值)，亦可使用既定之值。
加算器415將第4充放電修正電力指令值與第4電力指令值相加，並將所得之結果輸出至第4電力變換器14。此外，第4電力指令值可使用來自操作台40之轉數指令值或根據電力指令值獲得之值(圖10之切換開關343之輸出值)，亦可使用既定值。
因此，根據圖11之構成，藉由基於第3電力變換器13之實績值，藉有將第1充放電修正電力指令值及第4充放電修正電力指令值相加，可實現蓄電裝置2之SOC控制。
(第3實施形態)
其次，對第3實施形態進行說明。本實施形態之移動體之配電系統之構成係與第1實施形態相同。以下，省略與第1實施形態共通之構成之說明，僅對不同之構成進行說明。
圖12係概略表示具備本發明之第3實施形態之移動體之配電系統之移動體之構成的圖。如圖12所示，與第1實施形態(圖1)相比，配電系統100B之不同點在於其應用於搭載有混合型之推進系統之船舶。具體而言，電力變換裝置1A進而具備連接於直流中間部9之第4電力變換器14，推進系統200B具備連接於第4電力變換器14之交流端之電動發電機90、及透過減速裝置60而安裝於電動發電機90之推進軸之主機70及推進器80。
於混合船中，主機70係作為推進器80之主驅動源發揮功能，電動發電機90作為推進器80之輔助驅動源發揮功能。電動發電機90自連接於匯流排線8之發電機5透過第1電力變換器11及第4電力變換器14接收電力而產生驅動力，並將驅動力提供給推進器80，藉此輔助主機70對推進器80之驅動。又，電動發電機90自主機70接受動力而發電，並將發電之電力透過第4電力變換器14及第1電力變換器11提供給匯流排線8，藉此輔助發電機5對匯流排線8之電力供給。或者，亦可停止發電機5，而將電動發電機90作為主電力源。
此外，雖於本實施形態中「移動體」為船舶，但並無特別限定，只要為移動物體，則亦可為車輛(鐵路車輛、汽車等)、飛機。又，雖「推進器」為船舶用螺旋槳，但並無特別限定，只要為對移動體進行推進者，則亦可為車輪、飛行用螺旋槳。
根據上述說明，對於業者而言，本發明之許多改良及其他實施形態係顯而易見的。因此，應理解上述說明僅為例示，其係以向業者指導執行本發明之最佳態樣為目的而提供者。可於不脫離本發明之精神之範圍內對其構造及功能之一者或兩者之詳細進行實質性變更。
[產業上之可利用性]
本發明對於船舶等移動體之電力系統有用。

Claims (7)

  1. 一種移動體之配電系統，其具備：第1電力系統，其連接於以原動機為驅動力之發電機、及由負載所消耗或自負載再生之電力之變動量未達既定值之第1電力負載；第2電力系統，其連接於由負載所消耗或自負載再生之電力之變動量可變成上述既定值以上之第2電力負載；第1電力變換器，其交流端連接於上述第1電力系統，且其直流端連接於直流中間部；第2電力變換器，其交流端連接於上述第2電力系統，且其直流端連接於上述直流中間部；第3電力變換器，其兩直流端分別連接於上述直流中間部及蓄電裝置；以及匯流排聯絡斷路器，其將上述第1電力系統及上述第2電力系統之間可開閉地連接，並且於關閉之情形時，構成相對於供電路徑並聯之路徑，上述供電路徑係自上述第1電力系統經由上述第1電力變換器及上述第2電力變換器而到達上述第2電力系統；且上述匯流排聯絡斷路器於上述第2電力負載未運轉時設為連接狀態，另一方面，於上述第2電力負載運轉時設為阻斷狀態，上述第1電力變換器係基於以上述第2電力變換器之電力實績值中之未達既定頻率之低頻率成分賦予之第1電力指令值而受到控制，上述第2電力變換器係受到下垂控制，上述第3電力變換器係控制電力以消除對於上述直流中間部流入或流出之電力之不平衡。
  2. 如請求項1所述之移動體之配電系統，其中以成為下垂特性線上之一點的方式對上述第2電力變換器進行下垂控制，該下垂特性線表示上述第2電力系統之頻率與上述第2電力變換器之電力實績值之關係，於將上述第2電力系統自上述第1電力系統阻斷之情形時，以將上述第2電力系統之頻率設為標準頻率之方式對上述下垂特性線進行調整，且於將上述第2電力系統連接於上述第1電力系統之情形時，以將上述第2電力變換器之電力設為0kW、且將上述第2電力系統之頻率設為標準頻率之方式進行調整。
  3. 如請求項1所述之移動體之配電系統，其進而具備第4電力變換器，該第4電力變換器連接於上述直流中間部，於上述第4電力變換器之交流端連接有電動發電機，於上述電動發電機之推進軸安裝有推進器。
  4. 如請求項1所述之移動體之配電系統，其進而具備第4電力變換器，該第4電力變換器連接於上述直流中間部，於上述第4電力變換器之交流端連接有電動發電機，於電動發電機之推進軸安裝有主機及推進器。
  5. 如請求項3或4所述之移動體之配電系統，其中上述第1電力指令值係由上述第2電力變換器之實績值中的未達既定頻率之低頻率成分、與上述第4電力變換器之電力實績值中的未達既定頻率之低頻率成分之和而賦予。
  6. 如請求項3或4所述之移動體之配電系統，其中上述第4電力變換器係基於第4電力指令值而受到電力控制，上述第4電力指令值係藉由基於自操作台賦予之上述電動發電機之轉數指令值與上述電動發電機之實際轉數之偏差的轉數控制所得之電動發電機之電力指令值、或者係自操作台賦予之電動發電機之電力指令值。
  7. 如請求項6所述之移動體之配電系統，其中上述蓄電裝置之充電率係基於上述第3電力變換器之電流實績值、或電力實績值而計算，為了以充電率落在既定範圍內之方式進行充放電，而計算第1充放電修正電力指令值、及第4充放電修正電力指令值，將上述第1充放電修正電力指令值與上述第1電力指令值相加，將上述第4充放電修正電力指令值與上述第4電力指令值相加。
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