JP2017136894A - 船舶の電力システム - Google Patents

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Abstract

【課題】船舶の電力システムにおいて電力貯蔵装置による船内電力への給電と、負荷変動補償とを、船舶の限られたスペースで両立させることを目的とする。【解決手段】船舶の電力システム１００は、第１電力貯蔵装置１０と、第２電力貯蔵装置２０と、制御システム３０とを備える。第１電力貯蔵装置１０は第２電力貯蔵装置２０よりもエネルギー密度が大きく、第２電力貯蔵装置２０は第１電力貯蔵装置１０よりも出力密度が大きい。制御システム３０は、発電機用途として、船内母線５０に接続された船内電力負荷６０に連続的にベース電力を給電するように第１電力貯蔵装置１０を第２電力貯蔵装置２０より優先的に放電させ、系統安定化用途として、船内電力系統の周波数または電圧変動を補償するように第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、船舶の電力システムに関する。
二次電池を搭載して電気推進を行うタグボート等の各種船舶が実用化されている。例えば特許文献１には、船舶の給電線に電力貯蔵装置を設け、推進用電動機と船内電力に給電可能な船舶が開示されている。最近では、二次電池としてリチウムイオン電池を搭載し、滞泊時や低速での電気推進時にエンジンを起動する必要を無くし、港湾内でゼロエミッションを実現した船舶が実用化されている。
米国特許出願公開第２００９／０１５６０６８号明細書
ところで、船舶の航行時や作業時には、一時的な船内電力負荷やプロペラ推力負荷の大きな変動があり、これに起因するエンジントリップによる停電や操船不能のリスクや、エンジンからの有害な黒煙の排出を低減するため、電力貯蔵装置をエネルギ源として利用し、負荷変動を補償することが望まれる。しかし、これらの用途は、消費電力量が小さい反面大きなパワーを要するが、二次電池はパワー密度が小さいため、大型の電池が必要となり、船舶の搭載スペースおよびコストの観点から、非現実的であった。
そこで、本発明は、船舶の電力システムにおいて電力貯蔵装置による船内電力への給電と、負荷変動補償とを、船舶の限られたスペースで両立させることを目的とする。
本発明の一態様に係る船舶の電力システムは、船内母線に設置された第１電力貯蔵装置と、前記船内母線に設置された第２電力貯蔵装置と、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置の充放電を制御する制御システムとを備え、前記第１電力貯蔵装置は前記第２電力貯蔵装置よりもエネルギー密度が大きく、前記第２電力貯蔵装置は前記第１電力貯蔵装置よりも出力密度が大きい、船舶の電力システムであって、前記制御システムは、発電機用途として、前記船内母線に接続された船内電力負荷に連続的にベース電力を給電するように前記第１電力貯蔵装置を前記第２電力貯蔵装置より優先的に放電させ、系統安定化用途として、船内電力系統の周波数または電圧変動を補償するように前記第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させるように構成されている。
上記構成によれば、エネルギー密度の大きい第１電力貯蔵装置により船内電力負荷に連続的にベース電力、すなわちホテル負荷や一定速度での航行における推進用の電力を給電し、出力密度の大きい第２電力貯蔵装置により船内電力系統の周波数又は電圧変動を補償する。つまり上記異なる用途に応じて好適な電力貯蔵装置を使い分けることで合計サイズが小さな電力貯蔵装置であっても船舶の電力システムに適用することができる。
前記船舶は、主機と推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機とがプロペラに接続されるように構成された推進システムを備え、前記制御システムは、主機負荷変動補償用途として、前記主機の負荷変動を低減するために前記推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機の駆動又は発電電力を調整するように前記第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させるように構成されていてもよい。
上記構成によれば、推進システムにおいて、主機の負荷変動時には、出力密度の大きい第２電力貯蔵装置を充放電させることにより、推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機の駆動又は発電電力を調整して、主機の負荷変動を好適に低減することができる。
本発明のその他の態様に係る船舶の電力システムは、船内母線に設置された第１電力貯蔵装置と、前記船内母線に設置された第２電力貯蔵装置と、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置の充放電を制御する制御システムとを備え、前記第１電力貯蔵装置は前記第２電力貯蔵装置よりもエネルギー密度が大きく、前記第２電力貯蔵装置は前記第１電力貯蔵装置よりも出力密度が大きい、船舶の電力システムであって、前記制御システムは、前記船内母線に接続された船内電力負荷に連続的にベース電力を給電するための発電機用途と、船内電力系統の周波数または電圧変動を補償するための系統安定化用途のうちの少なくとも一つの用途に、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置のうち少なくとも１つを使用するにあたり、各前記用途において必要な充放電の電力量に対応する第１所定値と電力に対応する第２所定値とを取得し、前記第１所定値が前記第２所定値よりも大きい場合には、前記第１電力貯蔵装置を前記第２電力貯蔵装置より優先的に充放電させ、前記第２所定値が前記第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させるものである。
上記構成によれば、各用途において必要な充放電の電力量と電力の大きさに応じて好適な電力貯蔵装置を使い分けることで、合計サイズが小さな電力貯蔵装置であっても船舶の電力システムに適用することができる。
前記船舶は、主機と推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機とがプロペラに接続されるように構成された推進システムを備え、前記制御システムは、前記発電機用途と、前記系統安定化用途と、前記主機の負荷変動を低減するために前記推進用電動機又は前記軸発電機又は推進用電動発電機の駆動又は発電電力を調整するための主機負荷変動補償用途のうちの少なくとも一つの用途に、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置のうち少なくとも１つを使用するにあたり、各前記用途において必要な充放電の電力量に対応する第１所定値と電力に対応する第２所定値とを取得し、前記第１所定値が前記第２所定値よりも大きい場合には、前記第１電力貯蔵装置を前記第２電力貯蔵装置より優先的に充放電させ、前記第２所定値が前記第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させてもよい。
前記第１電力貯蔵装置は二次電池であり、前記第２電力貯蔵装置はキャパシタでもよい。一般に、二次電池の充放電は化学反応であるので、キャパシタと比較して利用できる充放電サイクル回数が少ない。上記構成によれば、充放電回数の多い短時間の充放電用途に二次電池（第１電力貯蔵装置）よりもパワー密度が大きいキャパシタ（第２電力貯蔵装置）を用いることによって、電力システム全体の寿命を長くすることができる。
上記船舶の電力システムは、前記船内母線に接続された主発電機と、前記船内母線と前記第１電力貯蔵装置の間に接続された第１電力変換器と、を備え、前記制御システムは、前記発電機用途において、前記第１電力貯蔵装置が、単独で又は前記主発電機と並列で、少なくとも前記船内電力負荷に給電可能であり、前記主発電機に予期せず出力不足が生じた場合には自動的に前記第１電力貯蔵装置から放電されるように、前記第１電力変換器を制御してもよい。
上記構成によれば、発電中の主発電機以外にスタンバイ発電機を起動してアイドル運転を行わなくても、船内電力系統の冗長性を確保することができ、燃料消費と発電機の損耗が低減される。
上記船舶の電力システムは、前記船内母線に接続された主発電機と、前記船内母線と前記第２電力貯蔵装置の間に接続された第２電力変換器と、を備え、前記制御システムは、前記系統安定化用途において、前記第２電力貯蔵装置の充放電電力が周波数又は電圧に対するドループ特性を有し、且つ有効電力変動に対する周波数変動又は電圧変動の追従の速さが前記主発電機又は前記第１電力貯蔵装置の有効電力変動に対する周波数変動又は電圧変動の追従の速さよりも遅くなるように、前記第２電力変換器を制御してもよい。
上記構成によれば、ドループ制御の特性を利用することにより、船内電力負荷の状態を検知することなく、船内電力負荷の変動を補償できる。
上記船舶の電力システムは、前記船内母線と前記第２電力貯蔵装置の間に接続された第２電力変換器を備え、前記制御システムは、前記系統安定化用途において、前記船内電力負荷の負荷変動を検出し、当該負荷変動が小さくなるように、第２電力貯蔵装置の充放電電力を調節するように前記第２電力変換器を制御してもよい。
上記構成によれば、電力負荷の変動を検知して第２電力貯蔵装置の充放電を行うので、積極的に船内電力負荷の変動を補償できる。例えば電力負荷の変動は、電力負荷及び／又は電力源それぞれに設置した電力計で直接検出してもよいし、電力系統の周波数または電圧変動から推定してもよい。
前記制御システムは、前記主機負荷変動補償用途において、前記主機の負荷変動を検出し、当該負荷変動が小さくなるように前記第２電力貯蔵装置の充放電電力を調整するように前記第２電力変換器を制御してもよい。
上記構成によれば、主機の負荷変動を検知して第２電力貯蔵装置の充放電を行うので、積極的に主機の負荷変動を補償できる。例えば主機の負荷変動は直接検出してもよいし、主機の回転数変動等から推定してもよい。
尚、前記第１電力貯蔵装置又は第２電力貯蔵装置は、前記船舶の交流母線に、個別の電力変換器を介して接続されていてもよい。
また、前記第１電力貯蔵装置又は第２電力貯蔵装置は、前記船舶の直流母線に、個別の電力変換器を介して接続されていてもよい。
その他にも、前記船舶は、電動発電機又は電動機又は電動発電機を駆動するための電力変換器を備え、前記第１電力貯蔵装置又は第２電力貯蔵装置は、前記電力変換器の直流部に、個別の電力変換器を介して接続されていてもよい。
本発明によれば、船舶の電力システムにおいて電力貯蔵装置による船内電力への給電と、急激な負荷変動の補償とを、船舶の限られたスペースで両立させることが可能になる。
図１は、第１実施形態に係る船舶の電力システムを備える船舶の構成を概略的に示す図である。 図２は、船舶における船内電力負荷及び主機負荷の経時変化を模式的に示すグラフである。 図３は、図１の制御システムの構成を示すブロック図である。 図３Ａは、第１実施形態の変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 図４は、制御システムにおいて各電力貯蔵装置をドループ制御するために使用されるドループ特性線である。 図５は、第２実施形態に係る船舶の電力システムにおける制御システムの構成を示すブロック図である。 図６は、第１電力貯蔵装置と第２電力貯蔵装置の性能限界を示すグラフである。 図７は、第１変形例に係る船舶の電力システムを備える船舶の構成を概略的に示す図である。 図８は、第２変形例に係る船舶の電力システムを備える船舶の構成を概略的に示す図である。 図９は、上記船舶の電力システムを備えるその他の船舶の構成を概略的に示す図である。 図１０、上記船舶の電力システムを備えるその他の船舶の構成を概略的に示す図である。 図１１は、上記船舶の電力システムを備えるその他の船舶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、第１実施形態に係る船舶の電力システム１００を備えた船舶の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、船舶３００において、交流の船内母線５０には主発電機４０と、第１電力変換器２１を介して第１電力貯蔵装置１０と、第２電力変換器２２を介して第２電力貯蔵装置２０と、船内負荷６０と、船舶３００の推進システム２００が接続される。
ここで船舶３００の推進システム（以下、単に推進システムという）２００の構成は、船舶の種類に依存して異なる。本発明の船舶３００の電力システム（以下、単に電力システムという）１００が搭載される船舶３００の典型例として、ハイブリッド船、電気推進船、軸発電機搭載機械推進船及び機械推進船が挙げられる。本実施形態の船舶３００はハイブリッド船である。推進システム２００は、プロペラ９０の主駆動源としての主機７０と、プロペラ９０の補助駆動源としての電動発電機８０と、第３電力変換器２３、第４電力変換器２４を備えている。電動発電機８０は、主機７０と、減速装置（図示せず）を介してプロペラ９０とに機械的に接続されている。また、電動発電機８０は第４電力変換器２４と電気的に接続され、第４電力変換器２４は直流中間部５１を介して第３電力変換器２３に接続されている。第３電力変換器２３は船内母線５０に接続されている。ハイブリッド船では、電動発電機８０が、船内母線５０に接続された主発電機４０から第３電力変換器２３及び第４電力変換器２４を介して電力を受給して駆動力を発生し、それをプロペラ９０に授与することによって、主機７０によるプロペラ９０の駆動をアシストする。また、電動発電機８０が、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２４及び第３電力変換器２３を介して船内母線５０に授与することによって主発電機４０による船内母線への電力供給をアシストする。あるいは、主発電機４０を停止して、電動発電機８０を主たる電力源としてもよい。
ハイブリッド船における推進システム２００は、一般に、電気推進モード、推進加勢モード、機械推進モード、及び軸発モードの４つの動作モードを有する。電気推進モードは、電動発電機８０を電動機として動作させて電気推進力によりプロペラ９０を駆動する動作モードである。推進加勢モードは、電動発電機８０を電動機として動作させて主機７０の推力をアシストする動作モードである。機械推進モードは、電動発電機８０の動作を停止させて、主機７０の推力のみでプロペラ９０を駆動する動作モードである。軸発モードは、電動発電機８０を軸発電機として動作させて主発電機４０の電力をアシストし、主機７０の推力によりプロペラ９０を駆動する動作モードである。あるいは、主発電機４０を停止してもよい。換言すると、電気推進モードの動作は電気推進船の推進システムの動作に相当する。機械推進モードの動作は、機械推進船の推進システムの動作に相当する。軸発モードの動作は軸発電機搭載機械推進船の推進システムの動作に相当する。
主発電機４０は、推進用電動発電機８０や船舶の船内負荷６０に電力を供給する主な電力源であって、複数設けられてもよい。主発電機４０は、通常、航海中には船舶３００の推進に用いられる電動機または電動発電機の電力と、船舶３００内で使用する電力とを賄っている。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主発電機４０からの電力供給が遮断される恐れがある。
電力システム１００は、補助電源として推進用電動発電機８０や船舶の船内負荷６０に船内母線５０を介して接続されており、停泊中や港湾付近での低速航行時には、船内に電力を供給する唯一の電力源として動作させることができる。これにより、港湾でのゼロエミッションが実現できる。また、上記のような電力負荷変動が大きい場合には、エンジントリップを防ぐため、負荷変動の補償を行う。このとき、電力システム１００は、適宜、主発電機４０をアシストして電力を負荷６０に供給し、または、主発電機４０から電力を受給して貯蔵する。船内負荷６０は、電力を消費する機器であって、複数設けられる。この船内負荷６０は、船内母線５０にそれぞれ接続されている。船内負荷６０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。ここで、連続的に動作する設備による定常的な消費電力をベース電力と呼ぶ。なお、スラスタ負荷は、港湾付近での低速航行時にはほぼ変動しないため、ベース電力に含めて考えることができるが、作業時や荒天時には大きく変動する。
電力システム１００は、第１電力貯蔵装置１０と、第２電力貯蔵装置２０と、第１電力変換器２１と、第２電力変換器２２と、制御システム３０とを有する。第１電力貯蔵装置１０は第２電力貯蔵装置２０よりもエネルギー密度が大きく、第２電力貯蔵装置２０は第１電力貯蔵装置１０よりも出力密度が大きい。本実施形態では第１電力貯蔵装置１０は二次電池であり、第２電力貯蔵装置２０はキャパシタである。二次電池は、電荷を化学反応を介して蓄積し、蓄積した電荷を、逆反応を介して放出する大容量型蓄電デバイスである。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が用いられる。キャパシタは、電荷を直接（反応を介さずに）蓄積し、蓄積した電荷を直接放出する高出力型蓄電デバイスである。キャパシタとして、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が用いられる。
一般に、二次電池の充放電は化学反応であるので、キャパシタと比較して利用できる充放電サイクル数が少ない。したがって、充放電サイクル数の多い短時間の充放電用途に二次電池（第１電力貯蔵装置）よりもパワー密度が大きいキャパシタ（第２電力貯蔵装置）を用いることによって、電力システム１００全体の寿命を長くすることができる。
制御システム３０は、演算装置で構成されており、主発電機４０を制御するとともに、電力システム１００の用途に応じて第１電力貯蔵装置１０及び第２電力貯蔵装置２０の充放電を制御するように構成される。制御システム３０は、発電機用途として、船内電力負荷６０に連続的にベース電力を給電するように第１電力貯蔵装置１０を第２電力貯蔵装置２０より優先的に放電させ、系統安定化用途として、船内電力系統が交流であれば周波数変動を、または直流であれば電圧変動を補償するように第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させるように構成されている。そして、主機負荷変動補償として、主機７０の負荷変動を低減するために推進用電動発電機８０（又は電動機又は軸発電機）の駆動又は発電電力を調整するように第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させるように構成されている。
図２は、船舶における典型的な船内電力負荷及び主機の推進負荷の経時変化を模式的に示すグラフである。図２の上段に示すように、船舶３００が港湾で待機する場合では、必要最小限の船内負荷のみ使用されるため、必要なベース電力（Ａ）は小さいが、待機時間が長いため必要な電力量は大きい。そこで、発電機用途として、高エネルギ密度の第１電力貯蔵装置１０を使用する。一方、船舶３００がスラスタ・ウインチなどを使用した負荷変動を伴う作業を行う場合では負荷変動補償に必要な電力（Ｂ）はベース電力（Ａ）よりも大きい。そこで、系統電力安定化用途として、高パワ密度の第２電力貯蔵装置２０を用いる。
図２の下段に示すように、船舶３００が港湾付近を電気推進モードで低速推進する場合では必要最小限の推進負荷のみ使用されるため、必要なベース電力（Ａ）は小さいが、港湾付近での停泊時間が長いと必要な電力量は大きい。一例として、ハイブリッド方式のタグボートを想定すると、停泊時の電力は５０ｋＷ程度、一晩停泊した場合の電力量は４００ｋＷｈ程度である。そこで、発電機用途として高エネルギ密度の第１電力貯蔵装置１０を使用する。一方、船舶３００が主機７０による荒天環境下において機械推進モードで高速推進する場合は、負荷変動補償に必要な電力（Ｂ）は発電機用途に必要な電力（Ａ）よりも大きい。前記のタグボートでは、負荷変動補償に用いる最大電力は充放電それぞれ１０００ｋＷ程度であるが、図２に示すように、一周期内で充電と放電を交互に繰り返すので、消費電力量は電力変換器等による損失分のみで済む。そこで、主機負荷変動補償用途として、高パワ密度の第２電力貯蔵装置２０を用いる。このように、発電機用途として、高エネルギ密度の第１電力貯蔵装置１０を用い、系統電力安定化用途及び主機負荷変動補償用途として、高パワ密度の第２電力貯蔵装置２０を用いることにより、電力貯蔵装置の合計サイズを小さくできる。
例えば、第１電力貯蔵装置１０として、エネルギ密度０．１ｋＷｈ／ｋｇ、パワ密度０．１ｋＷ／ｋｇの二次電池が、第２電力貯蔵装置２０として、エネルギ密度０．０１ｋＷｈ／ｋｇ、パワ密度１ｋＷ／ｋｇのキャパシタが利用できるとする。前記の運用条件（電力量４００ｋＷｈ、電力１０００ｋＷ）を二次電池のみで満たす場合、二次電池１０ｔ（出力１０００ｋＷ）を用意する必要がある。一方、前記の運用条件を二次電池とキャパシタの組み合わせで満たす場合、二次電池４ｔ（容量４００ｋＷｈ）、キャパシタ１ｔ（出力１０００ｋＷ）を用意すればよく、合計重量は二次電池のみを用いる場合の半分の５ｔとなる。
次に、制御システム３０の構成について図３のブロック図を用いて説明する。図３に示すように、制御システム３０は、第１ドループ制御部３１と、第２ドループ制御部３２と、第３ドループ制御部３３と、運転状態切替部３４と、第１電力指令部３５１と、第２電力指令部３５２と、第３電力指令部３５３と、を備える。これらの各部は、演算装置において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、第１ドループ制御部３１、第２ドループ制御部３２、第３ドループ制御部３３の機能は、それぞれ、第１電力変換器２１の演算装置、第２電力変換器２２の演算装置、主発電機４０のエンジン制御装置のプログラムに含めてもよい。また、第１電力指令部３５１と、第２電力指令部３５２と、第３電力指令部３５３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し、あるいは、運転状態切替部３４が格納される制御装置のプログラムに含めてもよい。
運転状態切替部３４は、操作卓３８の操作情報に従って、船舶３００の運転状態を切替える。運転状態切替部３４は、例えば操作卓３８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。また、主発電機４０は、運転状態切替部３４から起動・停止されてもよいし、パワマネジメントシステムから起動・停止されてもよい。
第１ドループ制御部３１は、発電機用途において、第１電力貯蔵装置１０が、単独に又は主発電機４０と並列で、少なくとも船内電力負荷６０に給電可能であり、主発電機４０の予期せぬ出力不足が生じた場合には、自動的に第１電力貯蔵装置１０から放電されるように、第１電力変換器２１を制御する。一般に、ドループ制御によって制御される主発電機は、外部からの切替信号を受け取らずとも、自立運転と他の主発電機等の電力源との並列運転とを自動的に切替可能である。第１ドループ制御部３１の動作も、これと同様、外部からの切替信号を受け取らずとも、自立運転と他の主発電機・電力貯蔵装置等の電力源との並列運転とを自動的に切替可能である。
以下、系統が交流である場合を例に、第１ドループ制御部３１の具体的な制御について説明する。図４は、制御システム３０において電力貯蔵装置をドループ制御するために使用されるドループ特性線である。図４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。
第１ドループ制御部３１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る。第１電力変換器２１の演算装置は、周波数目標値から電圧または電流目標値を算出して、第１電力変換器２１を電圧制御または電流制御する。負荷変動に対する周波数変動の追従の速さは、主発電機と同等に設定することが望ましい。具体的には、主発電機の動揺方程式等の動的モデルを模擬してもよいし、周波数目標値にローパスフィルタを掛けてもよい。
第１電力指令部３５１、第２電力指令部３５２、第３電力指令部３５３は、第１ドループ制御部３１、第２ドループ制御部３２、第３ドループ制御部３３のドループ特性線をそれぞれ上げ下げすることで、船内電力負荷６０の各装置への電力配分を指令する。もしくは定格周波数に対して、ドループ特性線が示す有効電力の値を指令してもよい。第１電力変換器２１はドループ制御されているので、電力貯蔵装置１０は、自立運転で船内電力負荷６０の全部に電力を供給することも、主発電機４０と連系して、船内電力負荷６０の一部を分担して電力を供給することもできる。
あるいは、第１電力貯蔵装置１０はスタンバイ発電機の代わりとして使用される。この時、第３電力指令部３５３と第１電力指令部３５１は、主発電機が図４Ａの(ａ)点、第１電力変換器２１が(ｂ)点でそれぞれ動作するようにドループ特性を設定する。すなわち、主発電機４０が正常に動作している場合は、主発電機４０が全ての負荷を負担する。主発電機４０がトリップした場合は、図４Ａに示すように、第１電力貯蔵装置１０が全ての負荷を負担し、動作点は矢印に沿って(ｃ)点に収束する。周波数は低下するものの、停電を誘発することなく船内負荷６０への電力の供給が継続される。次に、図４Ｂに示すように、例えば船内負荷６０が増加すると、主発電機４０と第１電力変換器２１の動作点は図４Ｂのそれぞれ(ａ)点と(ｂ)点から矢印に沿って(ｅ)点と(ｄ)点に収束する。これにより、第１電力貯蔵装置１０は一旦放電する。その後、パワマネジメント機能により、第３電力指令部３５３は図４Ｃに示すように、主発電機４０のドループ特性を調節する。これにより、主発電機４０と第１電力変換器２１の動作点は(ｇ)点と(ｆ)点になる。再び船内負荷６０への電力は専ら主発電機４０から供給されるようになる。放電によって減少した残容量は航行中または接岸時の適切なタイミングで充電すればよい。このように発電機用途として、第１電力変換器２１をドループ制御することにより、スタンバイ発電機を備え、アイドル運転を行わなくても、第１電力貯蔵装置１０により船内電力系統の冗長性を確保することができ、燃料消費と主発電機４０の損耗が低減される。
第２ドループ制御部３２は、系統安定化用途として、第２電力貯蔵装置２０の充放電電力が系統周波数に対するドループ特性を有し、且つ船内電力負荷６０の負荷変動に対する周波数変動の追従の速さが主発電機４０または第１電力貯蔵装置１０よりも遅くなるように、第２電力変換器２２を制御する。
第２ドループ制御部３２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る。第２電力変換器２２の演算装置は、周波数目標値から電圧または電流目標値を算出して、第２電力変換器２２を、電圧制御または電流制御する。負荷変動に対する周波数変動の追従の速さは、主発電機４０または他の第１電力貯蔵装置１０よりも遅く設定される。具体的には、より慣性の大きな発電機の動揺方程式等の動的モデルを模擬してもよいし、周波数目標値により時定数の大きなローパスフィルタを掛けてもよい。
第３電力指令部３５３と第２電力指令部３５２の動作を図４Ｄに示す。通常、主発電機４０は(ａ)点、第２電力変換器２２は(ｂ)点で動作する。船内負荷６０の投入（スラスタ・ウインチを使用する等）によりステップ状の負荷変動があった場合、それに起因して第２電力変換器２２の周波数は他の電力源よりも遅く変動する。一方、電力系統の性質から、電力負荷は発電量の総和に等しく、系統全体で周波数は同じであるので、主発電機４０と第２電力変換器２２の動作点はそれぞれ(ｉ)点と(ｈ)点に移動し、その後緩やかにそれぞれ（ｅ）点と（ｄ）点に収束する。そのため、第２電力変換器２２が一時的に負荷変動の大部分を負担し、主発電機４０の負荷変動を抑制することができる。
第３ドループ制御部３３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、主発電機４０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。
本実施形態によれば、エネルギー密度の大きい第１電力貯蔵装置１０により船内電力負荷６０に連続的にベース電力を給電し、出力密度の大きい第２電力貯蔵装置２０により船内電力系統の周波数又は電圧変動を補償する。また、主機７０の負荷変動時には、出力密度の大きい第２電力貯蔵装置２０を充放電させることにより、推進用電動発電機８０の駆動又は発電電力を調整して、主機７０の負荷変動を好適に低減することができる。つまり上記用途に応じて好適な電力貯蔵装置を使い分けることで合計サイズが小さな電力貯蔵装置であっても船舶の電力システム１００に適用することができる。
尚、本実施形態では第１電力変換器２１および第２電力変換器２２はドループ制御されたが、このような構成に限定されない。図３Ａは、第１実施形態の変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。図３Ａに示すように、本変形例では、制御システム３０は、第１ドループ制御部３１に代えて、定電圧定周波数制御部３６０及び第１電力制御部３６１を備え、第２ドループ制御部３２に代えて、第２電力制御部３６２を備える。そして、第１電力変換器２１は定電圧定周波数制御と電力制御が瞬時に切替可能となるよう構成され、第２電力変換器２２は電力制御される。この構成では、制御システム３０は、同じ母線上で運転されている他の電力源の有無を検出し、いずれの電力源も運転されていなければ第１電力変換器２１を定電圧定周波数制御とするよう指令し、運転されていれば第１電力変換器２１を電力制御として、第１電力貯蔵装置１０が分担する電力を指令する。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の電力システムを備える船舶の構成は、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５は、第２実施形態に係る船舶の電力システムにおける制御システムの構成を示すブロック図である。図５に示すように、第１実施形態と比較すると、制御システム３０Ａが、船内負荷変動検出部３６及び主機負荷変動検出部３７を更に備え、第２ドループ制御部３２に代えて、電力制御部３２Ａにより、第２電力変換器２２を電力制御する点が異なる。
船内負荷変動検出部３６は、船内電力負荷６０の負荷変動を検出する。電力制御部３２Ａは、系統安定化用途として、船内負荷変動検出部３６により検出された負荷変動が小さくなるように、第２電力貯蔵装置２０の充放電電力を調節するように第２電力変換器２２を電力制御する。電力負荷の変動は、電力負荷及び／又は電力源それぞれに設置した電力計で直接検出してもよいし、電力系統の周波数または電圧変動から推定してもよい。または／及び、船内負荷変動検出部３６は、エンジンスタータモータ等の短時間動作する船内電力負荷６０の起動又は停止信号を検出し、電力制御部３２Ａは、これらの検出時に第２電力貯蔵装置２０から放電するように第２電力変換器２２を制御する。上記構成によれば、電力負荷の変動を検知して第２電力貯蔵装置２０の充放電を行うので、積極的に船内電力負荷６０の変動を補償できる。
主機負荷変動検出部３７は推進システム２００から主機の負荷変動を検出する。電力制御部３２Ａは、主機負荷変動検出部３７により検出された負荷変動が小さくなるように第２電力貯蔵装置２０の充放電電力を調整するように第２電力変換器２２を制御する。ここで主機負荷変動検出部３７は、主機の負荷変動を直接検出するか、または主機回転数等から主機の負荷変動を推定する。上記構成によれば、主機の負荷変動を検知して第２電力貯蔵装置２０の充放電を行うので、積極的に主機の負荷変動を補償できる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態の電力システムを備える船舶の構成は、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。
本実施形態の制御システムは、第１実施形態と比較すると、上記発電機用途と、系統安定化用途と、主機負荷変動補償用途のうちの少なくとも一つの用途に、第１電力貯蔵装置１０及び第２電力貯蔵装置２０のいずれかを使用するものである点は共通する。本実施形態の制御システムは、各用途において必要な充放電の電力量に対応する第１所定値と電力に対応する第２所定値とを取得し、第１所定値が第２所定値よりも大きい場合には、第１電力貯蔵装置１０を第２電力貯蔵装置２０より優先的に充放電させ、第２所定値が第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させる点が第１実施形態と異なる。例えば、第１所定値は０ｋＷｈ〜第１電力貯蔵装置の容量（前出の例であれば４００ｋＷｈ）を０〜１に対応させ、第２所定値は０ｋＷ〜第２電力貯蔵装置の出力（前出の例であれば１０００ｋＷ）を０〜１に対応させる。
なお、ある用途に必要な電力量を求めるためには、当該用途が継続する時間を求める必要があるが、例えば停泊の際に停泊予定時間を入力するなど、乗組員が時間情報を明示的に与えてもよいし、学習技術を用いて、現在の充放電電力量や機器の使用状況と船舶の過去の運用履歴を照合し、運用時間を推定してもよい。
図６は、第１電力貯蔵装置と第２電力貯蔵装置の性能限界を示すグラフである。縦軸は第１所定値を示し、横軸は第２所定値を示している。制御システムは、各用途において必要な充放電電力量から第１所定値を、電力から第２所定値を計算する。領域Ａでは第１所定値が第２電力貯蔵装置の性能限界を超えた領域であるので、第１電力貯蔵装置で動作させる。領域Ｄでは第２所定値が第１電力貯蔵装置の性能限界を超えた領域であるので、第２電力貯蔵装置で動作させる。
領域Ｂと領域Ｃでは両貯蔵装置を使用することができる領域である。そこで、充放電電力量に応じた第１所定値と電力に応じた第２所定値とを比較する。第１所定値が第２所定値よりも大きい場合には、第１電力貯蔵装置１０を第２電力貯蔵装置２０より優先的に充放電させる（領域Ｂ）。第２所定値が第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させる（領域Ｃ）。
このように、各用途において電力量と電力の大きさに応じて好適な電力貯蔵装置を使い分けることで、合計サイズが小さな電力貯蔵装置であっても船舶の電力システムに適用することができる。
尚、本実施形態において、上記発電機用途と、上記系統安定化用途のうちの少なくとも一つの用途に、第１電力貯蔵装置１０及び第２電力貯蔵装置２０のうち少なくとも１つを使用してもよい。その場合も、各用途において必要な充放電の電力量に対応する第１所定値と電力に対応する第２所定値とを取得し、第１所定値が第２所定値よりも大きい場合には、第１電力貯蔵装置１０を第２電力貯蔵装置２０より優先的に充放電させ、第２所定値が第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させる。
（変形例）
尚、上記各実施形態では第１電力貯蔵装置１０及び第２電力貯蔵装置２０は、交流の船内母線５０に個別の電力変換器を介して接続されたが（図１参照）、このような構成に限定されない。共通の電力変換器を介して接続されてもよいし、電動発電機又は電動機を駆動するために設けられた電力変換器の直流部に、個別の電力変換器を介して接続されていてもよい。図７は、変形例（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｆ）（Ｇ）に係る船舶の電力システムを備える船舶の構成を概略的に示す図である。なお、図７において、破線で囲まれた（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｆ）（Ｇ）が各変形例に対応するので、破線で囲まれた（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｆ）（Ｇ）で示す構成のうちいずれか一つを備えればよく、複数を備えてもよい。図７に示すように、交流の船内母線５０には、第１電力貯蔵装置１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｄ及び第２電力貯蔵装置２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄが個別の電力変換器２１Ａ，２２Ｂ，２１Ｃ，２２Ｃ，２１Ｄ，２２Ｄを介して接続されている。また、電動発電機８０を駆動するために設けられた第３電力変換器２３及び第４電力変換器２４の直流中間部５１に、第１電力貯蔵装置１０Ｂ，１０Ｆ，１０Ｇ及び第２電力貯蔵装置２０Ａ，２０Ｆ，２０Ｇが個別の電力変換器２２Ａ、２１Ｂ、２１Ｆ，２２Ｆ，２１Ｇ，２２Ｇを介して接続されている。
また、第１電力貯蔵装置及び第２電力貯蔵装置は、直流の船内母線に、個別の電力変換器を介して接続されていてもよい。図８は、変形例（Ｈ）（Ｉ）に係る船舶の電力システムを備える船舶の構成を概略的に示す図である。なお、図８において、枠囲み（Ｈ）（Ｉ）が各変形例に対応するので、実際は枠囲み（Ｈ）（Ｉ）で示す構成のうちいずれか一つを備えればよく、複数を備えてもよい。図８に示すように、直流の船内母線５２には、第１電力貯蔵装置１０Ｈ，１０Ｉ及び第２電力貯蔵装置２０Ｈ，２０Ｉが個別の電力変換器２１Ｈ，２２Ｈ，２１Ｉ，２２Ｉを介して接続されている。また、直流の船内母線５２には第0電力変換器２５を介して主発電機４０が接続されている。
図８の構成においては、第0電力変換器２５、第１電力変換器２１Ｈは制御器(図示せず)によってドループ制御され、第２電力変換器２２Ｈはドループ制御または電力制御されてもよい。この場合、ドループ特性は有効電力と直流電圧との関係であり、有効電力が大きいほど直流電圧が低くなるよう設定される。ドループ率は、定格負荷時の直流電圧と無負荷時の直流電圧との差を定格直流電圧で除したもので定義され、通常、各電力源で同じ値に設定するが、必要に応じて異なる値に設定してもよい。第0電力変換器２５、第１電力変換器２１Ｈは、有効電力を検出し、ドループ特性に基づいて直流電圧目標値を定め、電圧制御で動作する。負荷変動に対する電圧変動の追従の速さは、両電力変換器で同じに設定することが望ましい。システムの動作は図４Ａ〜図４Ｃにおいて、図中の周波数を電圧に読み替えたものとなるので、詳細な説明は省略する。
また、図８の構成においては、第0電力変換器２５は付属の制御器(図示せず)によってドループ制御され、第１電力変換器２１Ｈ，２１Ｈ定電圧制御と電力制御が瞬時に切替可能となるよう構成され、第２電力変換器２２Ｈ，２２Ｉは電力制御されてもよい。制御システムは、同じ母線上で運転されている他の電力源の有無を検出し、いずれの電力源も運転されていなければ第１電力変換器２１Ｈ，２１Ｉを定電圧制御とするよう指令し、運転されていれば第１電力変換器２１Ｈ，２１Ｉを電力制御として、第１電力貯蔵装置１０Ｈ，１０Ｉが分担する電力を指令する。
（その他の実施形態）
尚、上記各実施形態の船舶３００はハイブリッド船としたが、電気推進船、軸発電機搭載機械推進船及び機械推進船のいずれでもよい。図９〜図１１は、上記船舶の電力システム１００を備えるその他の船舶の構成を概略的に示す図である。ここでも制御システム３０は、発電機用途として、第１電力貯蔵装置を第２電力貯蔵装置２０より優先的に放電させ、系統安定化用途として、第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させるように構成されている。図９の船舶３００は軸発電機搭載機械推進船である。軸発電機搭載機械推進船の推進システム２００Ａは軸発電推進システムである。軸発電推進システムでは軸発電機８１を動作させて主発電機４０の電力をアシストし、主機７０の推力によりプロペラ９０を駆動するように構成されている。あるいは、主発電機４０を停止してもよい。図９では、制御システム３０は、主機負荷変動補償用途としては、主機７０の負荷変動を低減するために軸発電機８１の発電電力を調整するように第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させるように構成されている。
また、図１０の船舶３００は機械推進船である。機械推進船の推進システム２００Ｂは機械推進システムである。機械推進システムでは主機７０は主発電機４０とは独立しており、主機７０の推力のみでプロペラ９０を駆動するように構成されている。また、図１１の船舶３００は電気推進船である。電気推進船の推進システム２００Ｃは、推進用の電動機８２を動作させて電気推進力によりプロペラ９０を駆動するように構成されている。図１１では、制御システム３０は、主機負荷変動補償用途としては、主機の負荷変動を低減するために推進用電動機８２の駆動を調整するように第２電力貯蔵装置２０を第１電力貯蔵装置１０より優先的に充放電させるように構成されている。図９〜図１１の推進システム２００Ａ〜２００Ｃの態様に応じて、上記各実施形態及び各変形例を適用することが可能である。
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、船舶の補助電源として使用される電力システムに有用である。
１０ 第１電力貯蔵装置
２０ 第２電力貯蔵装置
２１ 第１電力変換器
２２ 第２電力変換器
２３ 第３電力変換器
２４ 第４電力変換器
２５ 第０電力変換器
３０ 制御システム
３１ 第１ドループ制御部
３２ 第２ドループ制御部
３２Ａ 電力制御部
３３ 第３ドループ制御部
３４ 運転状態切替部
３６ 船内負荷変動検出部
３７ 主機負荷変動検出部
３８ 操作卓
４０ 主発電機
５０ 船内母線（交流）
５１ 直流中間部
５２ 船内母線（直流）
６０ 船内電力負荷
７０ 主機
８０ 推進用電動発電機
８１ 軸発電機
８２ 推進用電動機
９０ プロペラ
１００，１００Ａ，１００Ｂ 電力システム
２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ 推進システム
３００ 船舶
３５１ 第１電力指令部
３５２ 第２電力指令部
３５３ 第３電力指令部
３６０ 定電圧定周波数制御部
３６１ 第１電力制御部
３６２ 第２電力制御部

Claims (12)

  1. 船内母線に設置された第１電力貯蔵装置と、前記船内母線に設置された第２電力貯蔵装置と、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置の充放電を制御する制御システムとを備え、前記第１電力貯蔵装置は前記第２電力貯蔵装置よりもエネルギー密度が大きく、前記第２電力貯蔵装置は前記第１電力貯蔵装置よりも出力密度が大きい、船舶の電力システムであって、
    前記制御システムは、発電機用途として、前記船内母線に接続された船内電力負荷に連続的にベース電力を給電するように前記第１電力貯蔵装置を前記第２電力貯蔵装置より優先的に放電させ、系統安定化用途として、船内電力系統の周波数または電圧変動を補償するように前記第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させるように構成されている、船舶の電力システム。
  2. 前記船舶は、主機と推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機とがプロペラに接続されるように構成された推進システムを備え、
    前記制御システムは、主機負荷変動補償用途として、前記主機の負荷変動を低減するために前記推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機の駆動又は発電電力を調整するように前記第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させるように構成されている、請求項１に記載の船舶の電力システム。
  3. 船内母線に設置された第１電力貯蔵装置と、前記船内母線に設置された第２電力貯蔵装置と、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置の充放電を制御する制御システムとを備え、前記第１電力貯蔵装置は前記第２電力貯蔵装置よりもエネルギー密度が大きく、前記第２電力貯蔵装置は前記第１電力貯蔵装置よりも出力密度が大きい、船舶の電力システムであって、
    前記制御システムは、
    前記船内母線に接続された船内電力負荷に連続的にベース電力を給電するための発電機用途と、船内電力系統の周波数または電圧変動を補償するための系統安定化用途のうちの少なくとも一つの用途に、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置のうち少なくとも１つを使用するにあたり、各前記用途において必要な充放電の電力量に対応する第１所定値と電力に対応する第２所定値とを取得し、前記第１所定値が前記第２所定値よりも大きい場合には、前記第１電力貯蔵装置を前記第２電力貯蔵装置より優先的に充放電させ、前記第２所定値が前記第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させる、船舶の電力システム。
  4. 前記船舶は、主機と推進用電動機又は軸発電機又は推進用電動発電機とがプロペラに接続されるように構成された推進システムを備え、
    前記制御システムは、
    前記発電機用途と、前記系統安定化用途と、前記主機の負荷変動を低減するために前記推進用電動機又は前記軸発電機又は推進用電動発電機の駆動又は発電電力を調整するための主機負荷変動補償用途のうちの少なくとも一つの用途に、前記第１電力貯蔵装置及び前記第２電力貯蔵装置のうち少なくとも１つを使用するにあたり、各前記用途において必要な充放電の電力量に対応する第１所定値と電力に対応する第２所定値とを取得し、前記第１所定値が前記第２所定値よりも大きい場合には、前記第１電力貯蔵装置を前記第２電力貯蔵装置より優先的に充放電させ、前記第２所定値が前記第１所定値よりも大きい場合には、第２電力貯蔵装置を前記第１電力貯蔵装置より優先的に充放電させる、請求項３に記載の船舶の電力システム。
  5. 前記第１電力貯蔵装置は二次電池であり、前記第２電力貯蔵装置はキャパシタである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
  6. 前記船内母線に接続された主発電機と、前記船内母線と前記第１電力貯蔵装置の間に接続された第１電力変換器と、を備え、
    前記制御システムは、前記発電機用途において、前記第１電力貯蔵装置が、単独で又は前記主発電機と並列で、少なくとも前記船内電力負荷に給電可能であり、前記主発電機に予期せず出力不足が生じた場合には自動的に前記第１電力貯蔵装置から放電されるように、前記第１電力変換器を制御する、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
  7. 前記船内母線に接続された主発電機と、前記船内母線と前記第２電力貯蔵装置の間に接続された第２電力変換器と、を備え、
    前記制御システムは、前記系統安定化用途において、前記第２電力貯蔵装置の充放電電力が周波数又は電圧に対するドループ特性を有し、且つ有効電力変動に対する周波数変動又は電圧変動の追従の速さが前記主発電機又は前記第１電力貯蔵装置の有効電力変動に対する周波数変動又は電圧変動の追従の速さよりも遅くなるように、前記第２電力変換器を制御する、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
  8. 前記船内母線と前記第２電力貯蔵装置の間に接続された第２電力変換器を備え、
    前記制御システムは、前記系統安定化用途において、前記船内電力負荷の負荷変動を検出し、当該負荷変動が小さくなるように、第２電力貯蔵装置の充放電電力を調節するように前記第２電力変換器を制御する、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
  9. 前記制御システムは、前記主機負荷変動補償用途において、前記主機の負荷変動を検出し、当該負荷変動が小さくなるように前記第２電力貯蔵装置の充放電電力を調整するように前記第２電力変換器を制御する、請求項２又は４に記載の船舶の電力システム。
  10. 前記第１電力貯蔵装置又は第２電力貯蔵装置は、前記船舶の交流母線に、個別の電力変換器を介して接続されている、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
  11. 前記第１電力貯蔵装置又は第２電力貯蔵装置は、前記船舶の直流母線に、個別の電力変換器を介して接続されている、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
  12. 前記船舶は、電動発電機又は電動機又は電動発電機を駆動するための電力変換器を備え、
    前記第１電力貯蔵装置又は第２電力貯蔵装置は、前記電力変換器の直流部に、個別の電力変換器を介して接続されている、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の船舶の電力システム。
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