(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陸上から船舶に出力開閉器を介して電力を供給する船舶用陸上電源装置であって、
交流電源の電圧を異なる電圧／周波数に変換するための電力変換器と、
前記電力変換器の出力と前記開閉器の間に設けられた交流フィルタと、
前記電力変換器の出力周波数及び出力電圧を制御する制御手段と、
前記開閉器の入力側に設けられた第１の電圧検出器と、
前記開閉器の出力側に設けられた第２の電圧検出器と、
前記発電機の出力電圧を直接検出する第３の電圧検出器と
を具備し、
前記制御手段は、
前記船舶内の発電機が前記船舶内の負荷機器への給電中で、且つ前記出力開閉器が開の状態で前記開閉器の出力を前記発電機の出力側に接続した状態において、前記電力変換器の出力周波数と前記第２の電圧検出器の検出電圧の周波数とが同一周波数で且つ位相偏差が最小となるように位相制御すると共に、前記第１の電圧検出器の検出電圧と前記第２の電圧検出器の検出電圧との電圧偏差が最小となるように電圧制御し、
前記位相偏差が所定値より小さく、且つ前記電圧偏差が所定の閾値より小さくなったとき、前記出力開閉器を投入し、その後前記船舶内の発電機を切り離すようにし、且つ、
前記電力変換器が前記船舶内の負荷機器への給電中で前記発電機を無負荷運転した状態において、前記電力変換器の出力周波数と前記第３の電圧検出器の検出電圧の周波数とが同一周波数で且つ位相偏差が最小となるように位相制御すると共に、前記第１の電圧検出器の検出電圧と前記第３の電圧検出器の検出電圧との電圧偏差が最小となるように電圧制御し、
前記位相偏差が所定値より小さく、且つ前記電圧偏差が所定の閾値より小さくなったとき、前記発電機を併入し、その後前記出力開閉器を開放するように
したことを特徴とする船舶用陸上電源装置。
【請求項２】
陸上から船舶に出力開閉器を介して電力を供給する船舶用陸上電源装置であって、
交流電源の電圧を異なる電圧／周波数に変換するための電力変換器と、
前記電力変換器の出力と前記開閉器の間に設けられた交流フィルタと、
前記電力変換器の出力周波数及び出力電圧を制御する制御手段と、
前記開閉器の入力側に設けられた第１の電圧検出器と、
前記開閉器の出力側に設けられた第２の電圧検出器と
を具備し、
前記制御手段は、
前記船舶内の発電機が前記船舶内の負荷機器への給電中で、且つ前記出力開閉器が開の状態で前記開閉器の出力を前記発電機の出力側に接続した状態において、前記電力変換器の出力周波数と前記第２の電圧検出器の検出電圧の周波数とが同一周波数で且つ位相偏差が最小となるように位相制御すると共に、前記第１の電圧検出器の検出電圧と前記第２の電圧検出器の検出電圧との電圧偏差が最小となるように電圧制御し、
前記位相偏差が所定値より小さく、且つ前記電圧偏差が所定の閾値より小さくなったとき、前記出力開閉器を投入し、その後前記船舶内の発電機を切り離すようにすると共に、
前記電力変換器の出力電流に応じて前記電力変換器の出力電圧を補正する電圧補正手段を有することを特徴とする船舶用陸上電源装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記位相偏差が所定値より小さく、且つ前記電圧偏差が所定の閾値より小さくなったとき、前記位相制御における位相及び前記電圧制御における電圧の少なくとも一方を固定したあと、前記出力開閉器を投入するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶用陸上電源装置。
【請求項４】
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出器を更に設け、
前記電流検出器によって検出された前記出力電流が所定の閾値を超えたとき、前記電力変換器の出力電圧を絞るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶用陸上電源装置。
【請求項５】
複数個の２次巻線を備えた入力変圧器を前記電力変換器の入力側に設け、
前記電力変換器は、
各々の入力が前記２次巻線に夫々接続され、所望の電圧、周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータから成り、
前記複数台の単位インバータを３グループに分割し、グループ毎にその出力を直列接続すると共に、その一端を中性点として接続し、他の一端から三相交流出力を得るようにしたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の船舶用陸上電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば船舶の停泊中に陸上から船舶に電力を供給するための船舶用陸上電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶に搭載された各種の電機機器に供給する電力は、船舶の航行、停泊の状態に拘わらず、船舶に搭載された発電機から供給していた。ところが、近年においては、地球環境に配慮し、排気ガスの排出を低減するために、船舶が港に入港したときには、船舶の発電機を停止し、陸上に配置された電力供給装置から船舶に電力を供給するようになってきている。
【０００３】
船舶の発電機から陸上の電源に電源系統を切り換えるとき、無瞬断で切り換えないと負荷への給電が短時間停止し船舶内の情報機器等に問題が生じる恐れがある。このため、船舶の発電機の出力を陸上の電源に合わせる同期調整を行ない、陸上の電源を投入して船舶の発電機と陸上の電源の並列運転を短時間行ったあと、船舶の発電機からの電力を遮断する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３７１５１号公報（第６−８頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された手法は、船舶の発電機の出力周波数と陸上の電源の周波数が同一（通常は６０Ｈｚ）の場合にのみ有効であり、また陸上の電源の周波数及び電圧が安定していないと系統切換え時の上記同期調整は手間がかかり困難であった。
【０００６】
しかるに、船舶の発電機の出力周波数と陸上の電源の周波数が同一でない場合は、船舶の発電機の出力周波数と陸上の電源の周波数を合わせる必要がある。
【０００７】
この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あり、船舶の発電機の出力周波数と陸上の電源の周波数を合わせることが可能で、且つ比較的簡単に系統切換えを行なうことができる船舶用陸上電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の船舶用陸上電源装置は、陸上から船舶に出力開閉器を介して電力を供給する船舶用陸上電源装置であって、交流電源の電圧を異なる電圧／周波数に変換するための電力変換器と、前記電力変換器の出力と前記開閉器の間に設けられた交流フィルタと、前記電力変換器の出力周波数及び出力電圧を制御する制御手段と、前記開閉器の入力側に設けられた第１の電圧検出器と、前記開閉器の出力側に設けられた第２の電圧検出器と、前記発電機の出力電圧を直接検出する第３の電圧検出器とを具備し、前記制御手段は、前記船舶内の発電機が前記船舶内の負荷機器への給電中で、且つ前記出力開閉器が開の状態で前記開閉器の出力を前記発電機の出力側に接続した状態において、前記電力変換器の出力周波数と前記第２の電圧検出器の検出電圧の周波数とが同一周波数で且つ位相偏差が最小となるように位相制御すると共に、前記第１の電圧検出器の検出電圧と前記第２の電圧検出器の検出電圧との電圧偏差が最小となるように電圧制御し、前記位相偏差が所定値より小さく、且つ前記電圧偏差が所定の閾値より小さくなったとき、前記出力開閉器を投入し、その後前記船舶内の発電機を切り離すようにし、且つ、前記電力変換器が前記船舶内の負荷機器への給電中で前記発電機を無負荷運転した状態において、前記電力変換器の出力周波数と前記第３の電圧検出器の検出電圧の周波数とが同一周波数で且つ位相偏差が最小となるように位相制御すると共に、前記第１の電圧検出器の検出電圧と前記第３の電圧検出器の検出電圧との電圧偏差が最小となるように電圧制御し、前記位相偏差が所定値より小さく、且つ前記電圧偏差が所定の閾値より小さくなったとき、前記発電機を併入し、その後前記出力開閉器を開放するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、船舶の発電機の出力周波数と陸上の電源の周波数を合わせることが可能で、且つ比較的簡単に系統切換えを行なうことができる船舶用陸上電源装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の系統切換動作のフローチャート（その１）。
【図３】本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の系統切換動作のフローチャート（その２）。
【図４】本発明の実施例２に係る船舶用陸上電源装置の回路構成図。
【図５】本発明の実施例３に係る船舶用陸上電源装置の回路構成図。
【図６】本発明の実施例３に係る船舶用陸上電源装置の系統切換動作のフローチャート。
【図７】本発明の実施例４に係る船舶用陸上電源装置の電力変換器の回路構成図。
【図８】実施例４の電力変換器の単位インバータの回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置を図１乃至図３を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の回路構成図である。
【００１４】
交流電源１から与えられる３相交流電圧は、入力変圧器２によって適切な電圧に変換されて電力変換器３に供給される。尚、電力変換器３の仕様によっては、入力変圧器２を省略することも可能である。電力変換器３は例えば、交流電源１の周波数が５０Ｈｚであれば、これを舶用電源の周波数である６０Ｈｚに変換すると共に、舶用電源の定格電圧を出力可能とする。このため、電力変換器３は制御部４から制御される。電力変換器３の出力は、交流フィルタ５及び出力開閉器６を介して船舶側との接続点Ｐに接続される。交流フィルタ５の入力側には電流検出器７が、出力側には電圧検出器８Ａが設けられている。また、出力開閉器６の出力側には電圧検出器８Ｂが設けられている。そして、これ等の検出信号は制御部４に与えられている。
【００１５】
船舶内の発電機１０の出力は開閉器１１を介して負荷機器１２に接続されており、通常発電機１０は、開閉器１１を介して負荷機器１２に電力を供給する。また、負荷機器１２は開閉器１３を介して接続点Ｐに接続されており、陸上から負荷機器１２に電力が供給可能な構成となっている。
【００１６】
以下、制御部４の内部構成を説明する。位相同期回路４１には基本的に船内の発電機１０の出力周波数と同一の周波数がｆ指令として与えられる。そして、電圧検出器８Ｂによって検出された電圧から周波数検出器４６によって周波数を検出し、位相同期回路４１に与える。位相同期回路４１は所謂ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路として動作し、周波数検出器４６によって検出された周波数の位相と同位相の周波数を出力してＶ生成回路４２に与える。
【００１７】
Ｖ生成回路４２においては、与えられた周波数に応じた電圧指令を出力してＰＷＭ回路４３に与える。ＰＷＭ回路４３は、電力変換器３の出力が、与えられた周波数の３相電圧となるように図示しない電力変換器３内部のスイッチング素子をオンオフ制御する。このようにして電力変換器３の出力電圧は所望の値に制御されるが、接続点Ｐあるいは負荷機器１２に与えられる電圧は、フィルタ５乃至線路のインピーダンス降下により、電力変換器３の出力電流にほぼ比例して低下する。このため、電流検出器７の出力を電圧補正回路４４に与え、電圧補正回路４４は電力変換器３の出力電流に応じて適切な補正電圧基準を出力し、上記Ｖ生成回路４２の出力電圧指令に加算するようにする。
【００１８】
負荷機器１２の給電電源を発電機１０から電力変換器３に切り替えるためには、両者の電圧を一致させる必要がある。このため電圧検出器８Ａ及び電圧検出器８Ｂによって検出された電圧を電圧制御器４５に与える。電圧制御器４５は両者の電圧の偏差に応じて適切な電圧制御指令をＶ生成回路４２に出力する。そしてＶ生成回路４２内部で、上述した電圧指令が補正され、結果として上記両者の電圧の偏差は最小化されることになる。
【００１９】
電圧検出器８Ａ及び電圧検出器８Ｂによって検出された電圧は電圧一致検出回路４７にも入力され、この両者の電圧の偏差が所定の閾値以下になったとき、電圧は電圧一致検出回路４７は１を出力してＡＮＤ回路４９に与える。同様に、周波数検出器４６の出力と位相同期回路４１の出力は位相一致検出器４８に与えられ、両者の位相差が所定値以下となったとき、位相一致検出器４８は１を出力し、ＡＮＤ回路４９に与える。
【００２０】
以上述べた本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の同期切り替え動作を図２及び図３を参照して説明する。図２は本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の系統切換動作のフローチャート（その１）である。
【００２１】
図２において、まず船舶が港に停泊した後、図１のＰ点において主回路をケーブルで接続する（ステップＳ１０）。このとき、開閉器６及び開閉器１３は開放されており、発電機１０が開閉器１１を介して負荷機器１２に給電している。
【００２２】
次に、電力変換器３を無負荷状態で運転し（ステップＳ１１）、開閉器１３を投入する（ステップＳ１２）。これによって、電圧検出器８Ｂを介して、発電機１０の出力電圧が得られ、前述した位相同期回路４１及び電圧制御回路４５の動作によって、電力変換器３の出力周波数はその位相を含めて発電機１０の出力周波数と一致し、また、電圧検出器８Ａの検出電圧は電圧検出器８Ｂの検出電圧に一致するようになる。従って、同期検出回路であるＡＮＤ回路４９の出力が１となる（ステップＳ１３）。
【００２３】
そして、上記ＡＮＤ回路４９の同期検出信号によって開閉器６を投入して発電機１０と電力変換器３の並列運転を行う（ステップＳ１４）。この並列運転は短時間で良いので、例えば、開閉器６の補助接点のメイク信号をトリガとして開閉器１１を開放し（ステップＳ１５）、切り替え動作を完了する。尚この場合、陸上側と船内の間で信号の取り合いが必要となるが図１ではその図示を省略している。
【００２４】
図３は本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の系統切換動作のフローチャート（その２）である。図３のフローチャートの図２との相違点は、ステップＳ１３で同期検出を行った後、この状態の電圧／位相を固定するステップ（ステップＳ１３Ａ）を追加するようにした点である。
【００２５】
図２のフローチャートで、ステップＳ１３の同期検出の後、周波数の閉ループ制御及び電圧の閉ループ制御を活かしたまま、ステップ１４に移行して開閉器６を投入すると、場合によっては制御系の乱れが生じ、電流などが許容変動量を超えてしまう恐れがある。これに対し、図３のフローチャートに示したように、ステップＳ１３の同期検出の後、ステップ１３Ａで位相同期回路４１及び電圧制御回路４５の出力を夫々その状態の位相及び電圧に固定し、オープンループ制御の状態でステップ１４に移行して開閉器６を投入すれば、上記の閉ループ制御による制御系の乱れを回避することが可能となる。尚、このオープンループ制御への移行は位相または電圧のいずれか一方のみを行うようにしても良い。
【００２６】
以上説明したように、本実施例によれば、発電機１０から電力変換器３への無瞬断の系統切り替えを比較的簡単に行うことができる。これは、電力変換器３が静止型変換器であるので、その周波数制御及び電圧制御を所望の応答特性で行うことができるからである。また、以下に説明する他の実施例についても同様に上記利点が生かされている。
【実施例２】
【００２７】
図４は本発明の実施例２に係る船舶用陸上電源装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、電流検出器７の出力が所定値を超えたとき、その出力に応じて電圧指令に負の補正を加える機能を持つ電流制御器５０を設けた点である。
【００２８】
この電流制御器５０は、電力変換器３で運転中、例えば負荷機器１２の追加起動などの要因で、電流が過大になったとき、電力変換器３の出力電圧を絞るように動作する。従って、負荷機器１２の負荷変動などによって電力変換器３の保護機能が動作してトリップ等が発生することを未然に防止することが可能となる。
【実施例３】
【００２９】
以下、本発明の実施例３に係る船舶用陸上電源装置を図５及び図６を参照して説明する。
【００３０】
図５は本発明の実施例３に係る船舶用陸上電源装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る船舶用陸上電源装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、発電機１０の出力電圧を直接検出する電圧検出器１４を設けた点、また、電圧検出器８Ｂの出力を切り替え器５１を介して電圧制御器４５及び電圧一致検出器４７に与えるようにし、この切り替え器５１の入力を電圧検出器８Ｂの出力とするか、または電圧検出器１４の出力とするかを切り替えられる構成とした点である。
【００３１】
本実施例でこのような構成としたのは、電力変換器３で負荷機器１２に給電を行っている状態から無瞬断で発電機１０からの給電に再び切り替えることを可能とするためである。以下、図６の本発明の実施例３に係る船舶用陸上電源装置の系統切換動作のフローチャートに従って上記の切り替え動作を説明する。
【００３２】
まず、図５の点Ｑにおける信号線を接続する（ステップＳ２０）。尚、この信号線接続は実施例１における主回路接続時に既に行ってあるのが通常である。次に発電機１０を運転する（ステップＳ２１）。次に切り替え器５１を陸上側から船内側に切り替える（ステップＳ２２）。そして、実施例１のステップＳ１３と同様に、位相同期回路４１及び電圧制御回路４５の動作によって、電力変換器３の出力周波数はその位相を含めて発電機１０の出力周波数と一致し、また、電圧検出器８Ａの検出電圧は電圧検出器１４の検出電圧に一致するようになる。従って、同期検出回路であるＡＮＤ回路４９の出力が１となる（ステップＳ２３）。更に同期状態で開閉器１１を投入し（ステップＳ２４）、短時間の並列運転を行う。最後に開閉器１１のメイク信号などによって、開閉器６を開放し（ステップＳ２５）、電力変換器３から発電機１０への電源切り替えを完了する。
【００３３】
上記において、実施例１において図３に示したステップ１３Ａの手法と同様、ステップＳ２３の同期検出のあと、その状態の位相及び電圧に固定して閉ループ制御による制御系の乱れを回避するようにしても良い。また、実施例１において、図３のステップ１３Ａの手法を用い、電力変換器３による陸上からの給電をオープンループで行っていた場合には、図６のステップＳ２３以前に、再び閉ループ制御に戻しておく必要がある。
【００３４】
この実施例の場合、図５には図示していないが、ＡＮＤ回路４９の出力で開閉器１１を投入するため、その信号のやりとりが陸上側と船内側で必要となる。並列運転確認の信号についても同様である。
【実施例４】
【００３５】
以下、本発明の実施例４に係る船舶用陸上電源装置を図７及び図８を参照して説明する。
【００３６】
図７は本発明の実施例４に係る船舶用陸上電源装置の電力変換器を示す回路構成図である。図７には本実施例の電力変換器専用の入力変圧器も示している。
【００３７】
入力変圧器２の１次側は交流電源１に接続され、２次側は３の倍数である複数個の２次巻線を有している。これらの２次巻線の各々には、単位インバータ３Ｔ（３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３）が接続されている。これらの単位インバータ３Ｔは、図８に示すように、３相交流入力を直流に変換する整流器３１、この直流電圧を平滑するコンデンサ３２、そして直流を単相の交流に変換するインバータ３３とから構成されている。
【００３８】
単位インバータ３Ｕ１、３Ｕ２及び３Ｕ３の出力は直列に接続され、同様に、単位インバータ３Ｖ１、３Ｖ２及び３Ｖ３並びに単位インバータ３Ｗ１、３Ｗ２及び３Ｗ３の出力は夫々直列に接続されている。そしてこれらの直列接続体の一端は中性点として互いに接続され、その他端を電力変換器３の交流出力としている。
【００３９】
ここで、単位インバータ３Ｔの出力周波数は全て同一とし、直列接続体を構成する各々の単位インバータ３Ｔの出力は、同一位相となるようにし、他の直列接続体に属する単位インバータＴとの位相差は互いに１２０度となるようにする。尚、図７において単位インバータ３Ｔの直列数は３としているが、任意の値であっても良い。
【００４０】
以上述べた図７に示した直列多重インバータを電力変換器３に適用するメリットは、船舶の要求する電源電圧、すなわち発電機１０の出力電圧に合わせた電圧を比較的容易に供給することができる為である。このためには、単位インバータの定格出力電圧とその直列数を適切に選定すれば良い。例えば、６ｋＶの要求があったとき、相電圧はこの√３分の１となるので、単位インバータを５８０Ｖの定格出力電圧とし、直列数を６とすれば良い。またこのような直列多重インバータを適用すれば、出力高調波が少なくなるので交流フィルタ５の容量を低減することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１  交流電源
２  入力変圧器
３  電力変換器
４  制御装置
５  交流フィルタ
６、１１、１３  開閉器
７  電流検出器
８Ａ、８Ｂ、１４  電圧検出器
１０  発電機
１２  負荷機器
３Ｔ、３Ｕ１、・・・、３Ｗ３  単位インバータ
３１  整流器
３２  コンデンサ
３３  インバータ
４１  位相同期回路
４２  Ｖ生成回路
４３  ＰＷＭ回路
４４  Ｖ補正回路
４５  電圧制御器
４６  周波数検出器
４７  電圧一致検出回路
４８  位相一致検出回路
４９  ＡＮＤ回路
５０  電流制御器
５１  切り替え器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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