(57)【要約】      （修正有）【課題】港に停泊中の船舶に対して陸上の電力系統から電力を供給する船舶に搭載する船舶用電力システムを提供。【解決手段】船舶外からの交流電力を定周波数の交流電力に変換するインバータ５／コンバータ４と、インバータ５及び負荷に無効電力を供給する同期調相機８と、同期調相機８の周波数が所定の値になるようにコンバータ４の電流指令値を演算する周波数制御器１１と、電流指令値に電流が一致するようコンバータ４及びインバータ５に点弧角指令値を与える電流制御器１３と、船舶外からの交流電力を監視して瞬時電圧低下や瞬時電圧停止を感知すると周波数制御器１１に対して電流指令値を保持させ、電流制御器１３に対して点弧角指令値を保持させる制御補助装置３３とを備えた船舶用電力システムで、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも船舶内を停電させず継続して船内に電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶に外部から電力を供給する船舶用電力システムであって、船舶外からの交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力を平滑する直流リアクトルと、前記コンバータおよび前記直流リアクトルによる直流電力を定周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータ及び負荷に無効電力を供給する同期調相機と、前記同期調相機の周波数が所定の値になるように前記コンバータの電流指令値を演算する周波数制御器と、前記電流指令値に電流が一致するよう前記コンバータ及び前記インバータに点弧角指令値を与える電流制御器と、前記コンバータの点弧角を制御する第１の位相制御器と、前記インバータの点弧角を制御する第２の位相制御器と、船舶外からの交流電力電圧を監視して瞬時電圧低下や瞬時電圧停止を感知すると前記周波数制御器に対して前記電流指令値を保持させてさらに前記電流制御器に対して点弧角指令値を保持させる制御補助装置とを備え、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも前記コンバータと前記インバータを停止させず、さらに船舶外の交流電力の電圧が回復後には前記制御補助装置による前記周波数制御器と前記電流制御器への働きかけを解除して、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも船舶内を停電させず継続して船内に電力供給を可能としたことを特徴とする船舶用電力システム。
【請求項２】
船舶に外部から電力を供給する船舶用電力システムであって、船舶外からの交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力を平滑する直流リアクトルと、前記コンバータおよび前記直流リアクトルによる直流電力を定周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータ及び負荷に無効電力を供給する同期調相機と、前記同期調相機の周波数が所定の値になるように前記コンバータの電流指令値を演算する周波数制御器と、前記電流指令値に電流が一致するよう前記コンバータ及び前記インバータに点弧角指令値を与える電流制御器と、前記コンバータの点弧角を制御する第１の位相制御器と、前記インバータの点弧角を制御する第２の位相制御器と、船舶外からの交流電力を前記コンバータに接続する第１の遮断機と、船舶外からの交流電力を前記コンバータや前記インバータを介さず前記同期調相機に接続する第２の遮断機と、前記第２の遮断機を投入するための同期投入装置とを備え、前記第２の遮断機は開放の状態で前記第１の遮断機を投入して船舶外の交流電力を前記コンバータに接続して前記コンバータや前記インバータによって前記同期調相機を所定の回転速度まで起動し、前記同期投入装置により船舶外の交流電力に対して前記同期調相機の周波数と電圧を調整して前記第２の遮断機を同期投入し、前記第２の遮断機の投入完了後に前記第１の遮断機を開放して前記コンバータや前記インバータを停止させながらも同期調相機はそのまま稼動させることで、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも船舶内を停電させず継続して船内に電力供給を可能としたことを特徴とする船舶用電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶用電力システムに係り、特に陸上の電力系統の電力を船内に導入する船舶用給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
港に停泊中の船舶において荷役などを行う設備への電力供給は、船舶内のディーゼルエンジン発電装置の発電電力により賄われている。環境問題からディーゼルエンジンからの排気ガス排出を減らすために、港に停泊中は、ディーゼルエンジン発電装置の稼動を停止し、必要な電力の全てを陸上の電力系統から受給することが要求されている。
【０００３】
その際、船舶の電力系統が６０Ｈｚで、陸上の電力系統が５０Ｈｚの場合、周波数を５０Ｈｚから６０Ｈｚにするために周波数変換装置が必要となる。周波数変換装置としては、電動機と発電機を組み合わせたＭ−Ｇセット、静止型の半導体スイッチを用いたインバータ式装置があるが、船舶に搭載する上では、据付面積、体積および重量がより少ないものが求められる。この点から、Ｍ−Ｇセットよりもインバータ式装置の採用が有利である。
【０００４】
船内に採用されているインバータ装置としては、船舶内の電力システムの一つとしてサイリスタインバータと同期調相機を用いた主機軸駆動発電装置がある。この発電装置は、船内の電力システムの一部としてすでに多数の実績があり、信頼性も高い。
【０００５】
図４は船舶内の電力システムの一つであるサイリスタインバータと同期調相機を主たる構成要素とする従来の主機軸駆動発電装置の構成図である（図４中の点線部を除く）。
【０００６】
同図において、１は軸発電機（Ｓ／Ｇ）、２は主エンジン（Ｍ．Ｅ．）、３はプロペラ、４はコンバータ、５はインバータ、６はコンバータ４からの出力を平滑するための直流リアクトル、７はインバータ５からの出力に含まれる高調波を抑制するための交流リアクトル、８は同期調相機（Ｓ／Ｃ）、９は周波数指令設定器、１０は周波数検出器、１１は周波数指令と周波数検出値の偏差により電流指令値を演算する周波数制御器（ＡＦＲ）、１２はコンバータ４に入力される電流を検出する電流検出器、１３は電流指令値と電流検出器１２からの電流検出値が一致するようにインバータ５およびコンバータ４の点弧角指令値を演算する電流制御器（ＡＣＲ）、１４はコンバータ４の位相制御器、１５はインバータ５の位相制御器、１６は位相制御器１４における位相制御のタイミングを決める同期信号を検出するための計器用変圧器、１７は位相制御器１５における位相制御のタイミングを決める同期信号を検出するための計器用変圧器、１８−ａ，１８−ｂ，１８−ｃは遮断器、１９は軸発電機１と同様に船内負荷に電力供給するためのディーゼル発電機（Ｄ／Ｇ）、２０は船内負荷、２１は船内電力系統母線、２２は軸発電機の電圧が異常に低下した際にコンバータ４やインバータ５を停止させる停止装置である（軸発電機１、同期調相機８の端子電圧を制御する電圧調整器の図示は省略し、軸発電機１および同期調相機８に包含されているとする。）。
【０００７】
次に、上記の主機軸駆動発電装置の動作について説明する。主エンジン２はプロペラ３を駆動するが、同時に軸発電機１をも駆動する。主エンジン２の回転数は航行状態により変化するため軸発電機１の交流電力の周波数も変化する。そこで、コンバータ４により交流を一旦直流に変換しインバータ５により定周波数の交流電力に変換する。同期調相機８はインバータ５及び船内負荷２０に無効電力を供給して船内電力系統母線２１の電圧を一定に保つ。得られた定周波定電圧の電力は遮断器１８−ａを介して船内電力系統母線２１により負荷２１に供給される。ディーゼル発電機１９は、船内負荷２０の量に応じて軸発電機１と共に使用されるが、港に停泊中は主エンジン２は停止しているためディーゼル発電機１９が船内負荷２０への電力供給源となる。しかし、環境問題からこのディーゼル発電機１９を稼動できないということで、船舶内で必要とする電力を陸上の電力系統から受給することが求められている。
【０００８】
そこで、図４中の点線部にあるように、変圧器３１とフィルタ３２を介して陸上の電力系統３４の電力を船内に導き、スイッチ３０で電力源を軸発電機１から陸上の電力系統３４に切り換えることで、陸上の電力系統３４の５０Ｈｚの電力を利用することも可能である。変圧器３１は、陸上の電力系統３４の電圧（例えば６．６ｋＶ系）を船内の系統電圧（通常低圧で４４０Ｖ系）レベルに降圧するために設け、フィルタ３２は、陸上の電力系統３４側に流れ出す高調波を抑制するために設ける。
【０００９】
ところが、このように陸上の電力系統３４の電力を船内に導入する場合、このままでは次のような問題が生じる。
【００１０】
停止装置２２は何らかの異常により軸発電機１の出力電圧が低下した際に働き、軸発電機とコンバータ／インバータからなるシステムからの電力供給を停止するためにある。洋上航海中であれば軸発電機１が停止してもディーゼル発電機１９のバックアップにより重要負荷への電力供給が継続される。一方、港に停泊中に、軸発電機１ではなくて陸上の電力系統３４を接続していた場合には、陸上の電力系統３４の異常により瞬時電圧低下や瞬時電圧停止が生じた際に停止装置２２が働くと、点弧角指令値を絞ってコンバータ／インバータを停止させてしまい、ディーゼル発電機も稼動していないので、船舶は全くの停電状態になり荷役作業に支障をきたすことになる。
【００１１】
しかし、瞬時電圧低下や瞬時電圧停止が生じた際でも停止装置２２を用いないでコンバータ／インバータを停止させないでいると、電圧の低下に応じて電流検出器１２にて検出される電流が低下するので、電流制御器１３が働いてインバータ５およびコンバータ４の点弧角指令値（点弧位相）を増加させることになり、電圧が復電した際に過大な電流をインバータ５から出力して同期調相機８のオーバースピードを招くとか、船内電力系統母線２１の電圧や周波数を異常に上昇させることにより同期調相機８や負荷２０などに悪影響を与えることが懸念される。
従来の技術として、特許文献１に主機軸駆動発電装置の制御装置の構成が開示されている。
【特許文献１】特開平６−１４１５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記状況に対処するために、その課題は、港に停泊中の船舶に対して陸上の電力系統から電力を供給するとともに、船舶に搭載することを考えて据付面積、体積や重量を考慮した船舶用電力システムを提供することであって、供給元となる陸上の電力系統の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止の際にも連続して給電可能であり、陸上の電力系統側の復電後にも船内電力系統の健全性を維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、船舶に外部から電力を供給するための船舶用電力システムであって、船舶外からの交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力を平滑する直流リアクトルと、前記コンバータおよび前記直流リアクトルによる直流電力を定周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータ及び負荷に無効電力を供給する同期調相機と、前記同期調相機の周波数が所定の値になるように前記コンバータの電流指令値を演算する周波数制御器と、前記電流指令値に電流が一致するよう前記コンバータ及び前記インバータに点弧角指令値を与える電流制御器と、前記コンバータの点弧角を制御する第１の位相制御器と、前記インバータの点弧角を制御する第２の位相制御器と、船舶外からの交流電力電圧を監視して瞬時電圧低下や瞬時電圧停止を感知すると前記周波数制御器に対して前記電流指令値を保持させてさらに前記電流制御器に対して点弧角指令値を保持させる制御補助装置とを備え、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも前記コンバータと前記インバータを停止させず、さらに船舶外の交流電力の電圧が回復後には前記制御補助装置による前記周波数制御器と前記電流制御器への働きかけを解除して、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも船舶内を停電させず継続して船内に電力供給を可能としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、船舶に外部から電力を供給するための船舶用システムであって、船舶外からの交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータの出力を平滑する直流リアクトルと、前記コンバータおよび前記直流リアクトルによる直流電力を定周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータ及び負荷に無効電力を供給する同期調相機と、前記同期調相機の周波数が所定の値になるように前記コンバータの電流指令値を演算する周波数制御器と、前記電流指令値に電流が一致するよう前記コンバータ及び前記インバータに点弧角指令値を与える電流制御器と、前記コンバータの点弧角を制御する第１の位相制御器と、前記インバータの点弧角を制御する第２の位相制御器と、船舶外からの交流電力を前記コンバータに接続する第１の遮断機と、船舶外からの交流電力を前記コンバータや前記インバータを介さず前記同期調相機に接続する第２の遮断機と、前記第２の遮断機を投入するための同期投入装置とを備え、前記第２の遮断機は開放の状態で前記第１の遮断機を投入して船舶外の交流電力を前記コンバータに接続して前記コンバータや前記インバータによって前記同期調相機を所定の回転速度まで起動し、前記同期投入装置により船舶外の交流電力に対して前記同期調相機の周波数と電圧を調整して前記第２の遮断機を同期投入し、前記第２の遮断機の投入完了後に前記第１の遮断機を開放して前記コンバータや前記インバータを停止させながらも同期調相機はそのまま稼動させることで、船舶外の交流電力の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止時にも船舶内を停電させず継続して船内に電力供給を可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、港に停泊中の船舶に対して陸上の電力系統から電力を供給する際に、船舶に搭載することを考慮して、据付面積、体積及び重量を小さくするとともに、供給元となる陸上の電力系統の瞬時電圧低下や瞬時電圧停止の際にも連続して給電可能であり、陸上の電力系統側の復電後にも船内電力系統の健全性を維持することができる船舶用電力システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である船舶用電力システムの構成図であり、既に説明した図４の従来例と相違する構成は、陸上の電力系統３４の電力を船内に導入するために従来例の制御停止装置２２の代りに、制御補助装置３３を用いる点にある。その他の構成は同一であるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する（なお、軸発電機１，主エンジン２，プロペラ３とスイッチ３０の図示は省略する。）。
【００１７】
図２（ａ）は図１の制御補助装置３３の作用を説明するためのもので、周波数制御器１１の内部構成および電流制御器１３の内部構成は一例として記している。
図２（ａ）において、制御補助装置３３は、電圧低下判定部３３１を有し、コンバータ４に入力される電圧を監視して瞬時電圧低下および瞬時電圧停止の判定を行う。電圧低下の判定は判定レベル設定部３３２の設定に基づいている。電圧低下判定部３３１で電圧低下を判定した場合、周波数制御器１１と電流制御器１３にその作用信号を送る。その作用信号は、図２（ｂ）に示すように、電圧低下を判定すれば出力されるようにすれば良い。
【００１８】
周波数制御器１１では、制御補助装置３３からの作用信号を受けると、電流制御器１３に与える電流指令値を保持する。例えば、スイッチ１１２を開くことで周波数指令設定器９からの周波数指令と周波数検出器１０からの周波数検出値の誤差を誤差増幅部１１１に与えない構成にできるので電流指令値は一定になる。
【００１９】
電流制御器１３では、制御補助装置３３からの作用信号を受けると、位相制御器１４および位相制御器１５に与える点弧角指令値を保持する。例えば、スイッチ１３４を開くことで周波数制御器１１からの電流指令値と電流検出値の誤差を誤差増幅部１３１に与えない構成とすればよい。誤差増幅部１３１からの出力は一定になりコンバータ側の点弧角指令値を送り出すコンバータ点弧角指令値発生部１３２やインバータ側の点弧角指令値を送り出すインバータ点弧角指令値発生部１３３からの出力も一定になる。
【００２０】
電圧が回復したことを電圧低下判定部３３１が捉えると、図２（ｂ）に示すように、復電判定を行い、電圧低下判定期間は終了し、周波数制御器１１と電流制御器１３への作用信号は停止し、スイッチ１１２とスイッチ１３４は閉じて通常の周波数制御器１１と電流制御器１３の動作に復帰させる。
【００２１】
もし、上記のように制御要素をホールドしないと、瞬時電圧低下または瞬時電圧停止による電圧低下により電流検出器１２による電流検出値が下がり電流制御器１３は点弧角指令値を増加させて不足した電流を稼ぐための動作となる。しかし、電圧が回復した際に必要以上の点弧角指令値となっているため過大な電流がインバータから出力されることになる。これは、同期調相機８や船内負荷２０に悪影響を与える懸念がある。
【００２２】
一方、電圧が低下することによる船内負荷への電力供給が不足する分は、同期調相機８の回転体が持つ慣性エネルギーで補う。短時間（瞬時０．１秒程度まで）なら同期調相機８の持つ慣性エネルギーで対処可能であり、必要に応じた慣性とすることは同期調相機８の設計事項として可能である。慣性エネルギーを消耗した分に応じて船内電力系統母線の周波数は低下するが、周波数制御器１１の働きにより周波数は回復する。
【００２３】
以上のように本実施形態によれば、陸上の電力系統の瞬時電圧低下または瞬時電圧停止が発生した際にも継続して給電しつつ、陸上の電力系統側の復電後にも船内電力系統の健全性を維持することができる。
【００２４】
ここまでの説明では陸上の電力系統が５０Ｈｚであることを前提に述べてきた。しかしながら、船舶が停泊する港では６０Ｈｚの電力系統も有り得る。当然ながら港に停泊中はこの６０Ｈｚの電力系統から船舶に電力を導入しなければならない。図１の第１実施形態そのままでコンバータ／インバータを介しての６０Ｈｚ電力の利用も一つの形態である。しかし、電力変換器（コンバータ／インバータ）を介することは電力損失を生ずることにもなる。陸上の電力系統が６０Ｈｚの場合であれば、船内系統の６０Ｈｚと合致するので陸上の電力系統からの電力を周波数変換せずに使用すればよい。この場合でも、５０Ｈｚ系統の電力を船内に導入する場合と同様に瞬時電圧低下や瞬時電圧停止に対する対応は必要である。
【００２５】
図３は、本発明の第２の実施形態である船舶用電力システムの構成図であり、既に説明した図４の従来例と相違する構成は、変圧器３１とフィルタ３２の間に遮断機４１を設け、変圧器３１と同期調相機８を接続する線路に遮断機４２を設け、同期投入装置を設けた点にある。その他の構成は同一であるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する（なお、軸発電機１，主エンジン２，プロペラ３とスイッチ３０の図示は省略する。）。
【００２６】
ところで、本実施形態の船舶用電力システムも第１の実施形態と同様に、電圧が低下することによる船内負荷への電力供給が不足する分は、同期調相機の回転体が持つ慣性エネルギーで補う点で、同期調相機は必要な要素であり、またこの同期調相機を所定の回転速度まで起動するための始動設備も必要である。
【００２７】
そこで、第２の実施形態では、陸上の電力を導入する際、遮断機４２を開放しておいて遮断機４１を投入し、コンバータ／インバータを同期調相機の始動設備として使って同期調相機８を所定の回転速度まで起動する。その後、変圧器３１の遮断機４１側の電圧と位相（計器用変圧器４４からの信号）と、同期調相機８の電圧と位相（図中の計器用変圧器４５からのＡ信号）を同期投入装置４３で比較して同期調相機８の電圧と位相を変圧器３１側の電圧と位相に合わせ、遮断機４２を投入する。これは電圧の合わせ込みは同期調相機８の電圧調整器を用い（図中のＢ信号の作用）、位相の合わせ込みは周波数指令を変化させて周波数制御器１１の働き（図中のＣ信号の作用）で実現できる。いわゆる同期投入を行う。遮断機４２の投入完了後は、遮断機４１を開放してコンバータ／インバータを停止させる。電力変換器を介さずに船内の電力を導入するので電力損失を生じさせないで済む。
【００２８】
瞬時電圧低下または瞬時電圧停止が発生した際には、同期調相機８の慣性エネルギーの放出で電圧低下を補い、同期調相機８の回転速度は低下するが、復電後は同期調相機８の回転速度が電力系統からの電力によって回復するので船内電力系統の健全性は維持される。
【００２９】
以上のように本発明の第２実施形態によれば、陸上の６０Ｈｚの電力系統から電力供給を受ける場合においても、陸上の電力系統の瞬時電圧低下または瞬時電圧停止が発生した際にも継続して給電しつつ、陸上の電力系統側の復電後にも船内電力系統の健全性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態の船舶用電力システムの構成図。
【図２】（ａ）は図１の電力システムの制御補助装置の作用を説明するための図、（ｂ）は図１の電力システムの制御補助装置からの作用信号の状態を説明するための図。
【図３】本発明の第２の実施形態の船舶用電力システムの構成図。
【図４】従来の周波数変換器を用いた船舶用電力システムの構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１…軸発電機、２…主エンジン、３…プロペラ、４…コンバータ、５…インバータ、６…直流リアクトル、７…交流リアクトル、８…同期調相機、９…周波数指令設定器、１０…周波数検出器、１１…周波数制御器、１２…電流検出器、１３…電流制御器、１４，１５…位相制御器、１６，１７…計器用変圧器、１８−ａ，−ｂ，−ｃ…遮断機、１９…ディーゼル発電機、２０…船内負荷、２１…船内電力系統母線、２２…停止装置、３０…スイッチ、３１…変圧器、３２…フィルタ、３３…制御補助装置、３４…陸上の電力系統、４１，４２…遮断機、４３…同期投入装置、４４，４５…計器用変圧器、１１１…誤差増幅部、１１２…スイッチ、１３１…誤差増幅部、１３２…コンバータ点弧角指令値発生部、１３３…インバータ点弧角指令値発生部、１３４…スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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