(57)【要約】【課題】大きな電力負荷や自然エネルギー発電機を有する自立電源系統において、自立電源系統は電力容量が小さいので、負荷等の変動を受けやすく、電源品質の維持が難しい。電源品質の維持のために、発電機等の出力変動等を補償する技術が提案されているがそのための計測システムは複雑で、計測に時間がかかるので制御に遅れが生じて安定な制御の実現ができないことがある。【解決手段】二次電池と電力変換機からなる蓄電設備に、電力調整装置を設けて、この電力調整装置により、有効電力と無効電力を制御することにより、簡便で、応答速度の速い制御を実現して、電源系統の電圧と周波数を所定の値に調整することにより、自立電源系統の安定性と品質の維持を図る。【選択図】図２
2012130146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機発電機と負荷設備とを有する自立電源系統であって、
二次電池と電力変換機とを有する蓄電設備と、
自立電源系統の周波数を計測する周波数計測手段と、
自立電源系統の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記周波数計測手段と前記電圧計測手段とからの計測値を用いて、それぞれ有効電力の目標値と無効電力の目標値を算出する系統制御部と、
前記系統制御部からの有効電力と無効電力の目標値に応じて有効電力および無効電力を出力する前記電力変換機を備えた自立電源系統調整装置。
【請求項２】
前記二次電池に取り付けられた電池状態検出器と、
前記電池状態検出器からの信号により前記二次電池のＳＯＣを計算するＳＯＣ計測手段と、
前記ＳＯＣ計測手段からの出力とあらかじめ定めたＳＯＣ目標値との偏差により、前記有効電力の目標値を補正する手段を有する請求項１に記載の自立電源系統調整装置。
【請求項３】
前記周波数計測手段および前記電圧計測手段が、
自立電源系統の電圧を計測する電圧計と、
前記電圧計の出力を位相同期演算するＰＬＬ演算部とを有する請求項１または請求項２に記載の自立電源系統調整装置。
【請求項４】
前記系統制御部における制御演算が比例制御である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の自立電源系統調整装置。
【請求項５】
前記周波数計測手段の出力に遅れ演算器を設けて時間遅れ演算を施して周波数目標値とし、かつ、前記電圧計測手段の出力に遅れ演算器を設けて時間遅れ演算を施して電圧目標値とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の自立電源系統調整装置。
【請求項６】
前記原動機発電機が複数台であって、
原動機発電機の負荷状態に応じて、前記原動機発電機の起動停止を行う台数制御を有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の自立電源系統調整装置。
【請求項７】
自立電源系統に自然エネルギーを利用した発電機を接続した請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の自立電源系統調整装置。
【請求項８】
原動機発電機と負荷設備と二次電池と当該二次電池の電力変換機とを有する自立電源系統において、
自立電源系統の電圧から無効電力の目標値を計算して、
自立電源系統の周波数から求めた有効電力の目標値に二次電池の状態から求めた電池のＳＯＣとＳＯＣ目標値との偏差に応じた補正を行い、
前記無効電力の目標値および前記有効電力の目標値となるように前記電力変換機からの有効電力および無効電力を調整する自立電源系統調整方法。
【請求項９】
自立電源系統の電圧信号から位相同期演算により自立電源系統の周波数と電圧とを算出する請求項８に記載の自立電源系統調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用の電源系統とは独立した自立電源系統に関し、詳しくは、電源品質の調整装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、通常の一般的な電力系統は電力会社が供給する商用の電力系統であるところ、商用の電力系統において電源品質の維持管理は主として電力会社によって行われている。そして、電源品質は法令・規則で定められた基準を満たすように、電力系統の運用が図られている。
【０００３】
一般需要家は、特別な場合を除き、電源品質の維持管理を行う必要がなく、電力会社から供給される電力を消費している。
【０００４】
ところが商用の電力系統に接続されない自立電源系統においては、その電源品質の維持管理は自らが行う必要がある。このような自立電源系統の例として、商用の電力配電線から離れた場所の電源系統や船舶内における電源系統がある。また、自家発電設備を有する大規模工場において、系統に連系しない場合も自立電源系統となる。
【０００５】
自立電源系統においては、その信頼性と品質が問題となるところ、信頼性は必要なときに必要とする電力が得られることで評価され、電力供給に対する信頼性を言う。一般に停電が発生しない電源が信頼性が高い電源といえる。一方、品質に関しては、主として電圧と周波数の変動が所定の範囲内におさまっていることで評価される。更には電源に含まれる高調波も電源品質の一部を担う。
【０００６】
電源の電圧と周波数は電力の需給の変化によって変動し、原動機のガバナや発電機のＡＶＲを調節してその変動を補償する他、発電設備の運転停止や無効電力補償装置を用いて調整を図ることもある。電源系統に太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを利用した発電設備が接続されている場合、発電設備の出力変動に伴う電圧・周波数変動を補償するため、電源品質の維持は一層必要となる。
【０００７】
図１１は、従来技術（例えば、特許文献１）からなる船舶内における電源系統について、その一例を示す図である。船舶内の電源系統は、岸壁に係留中などの特別な場合を除き、商用の電力系統とは独立した自立電源系統となっている。近年の船舶において自然エネルギーを利用した発電設備を装備することがあり、太陽電池ユニット（１０３）が電力変換装置（１０４）を介して船内電源系統（１０１）に接続されている。そして、自然エネルギーを有効に活用するために二次電池（１０５）と電力変換装置（１０６）とからなる電力貯蔵設備が設けられている。
【０００８】
図１１の例では、２台のディーゼル発電機（１０７）により、船舶の運航に必要な電力が賄われる。これら２台のディーゼル発電機（１０７）は、船内の電力需要に応じて適宜必要な台数が運転される。船内電源系統（１０１）には、船内の照明や空調設備等の船内電力負荷（１０２）が接続されるほか、船舶の離接岸時に用いられるバウスラスタ（１０８）が接続される。バウスラスタ（１０８）は、モータで駆動され大きな電力を消費するので、その運転により船内の電源系統は大きな変動を受けることとなる。
【０００９】
電力系統の調整装置として、風力発電機を系統電源に連系した場合における電力系統の安定化装置およびその方法に関するものや（例えば、特許文献２、特許文献３）、太陽光発電機の出力変動を二次電池を用いずに補償する制御装置（例えば、特許文献４）、もしくは自然エネルギーによる発電機と熱電併給設備を有する電源系統の制御装置（例えば、特許文献５）が開示されている。もっとも、これら特許文献２〜５は、いずれも商用の電力系統と連系したものであり、自立電源系統に関するものでない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１１６０７１号公報
【特許文献２】特開２００１−２８６０６２号公報
【特許文献３】特開２００１−１０１５５７号公報
【特許文献４】特開２００５−３１２１６３号公報
【特許文献５】特開２００５−１５１７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
自立発電系統の電力容量（供給可能電力）は商用の電力系統のように大きくないので、負荷変動により電源品質の影響を受け易い。図１１に示すような船内電源系統（１０１）において、大きな電力を消費するバウスラスタ（１０８）を起動すると、船内電源系統（１０１）の電圧、周波数は大きく変動する。また、太陽電池ユニット（１０３）と電力変換装置（１０４）からなる太陽光発電機は日照条件によりその出力が変動し、自立電源系統（１０１）に外乱を与える。一般に自立電源系統は電力容量が小さく、負荷等の変動を受けやすいので、電源品質の維持が難しい。
【００１２】
電源品質の維持のために、風力発電機等の出力変動やモータの負荷変動を計測して、別途設けた二次電池からの充放電を制御することにより、発電機等の出力変動等を補償する技術が提案されている（例えば、特許文献４、特許文献５）。この方法によれば、発電機毎にその出力を計測し、かつモータ毎にその負荷を計測して、出力および負荷の変動量を算出する必要があり、制御が煩雑となる。特に、発電機台数やモータの台数が増えれば、より煩雑となり対応が困難となる。これは、発電機やモータ毎に電流と電圧を計測して電力を算出し、その変動分を計算するからである。更に、電力の計測は周波数や電圧の計測に比べて時間がかかるところ、発電電力や負荷電力を計測して電力制御するのでは、電力計測の遅れが生じて安定かつ正確な制御を阻害する。
【００１３】
電源品質維持のために、別途設けた発電機の運転停止を行うことにより、太陽光発電機の出力変動による電力系統の電圧と周波数の影響を受けることのないシステムが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３）。図１１における自立電源系統において、電源品質維持のためにディーゼル発電機（１０７）を余分に運転すれば、常に余分なディーゼル発電機を運転しておく必要があり、エネルギー損失となる。
【００１４】
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、煩雑な計測を行うことなく、負荷変動や自然エネルギー発電による擾乱を抑制して電源品質の維持を図るとともに、電源品質維持のために余分に運転されるディーゼル発電機を減らす調整装置およびその調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（請求項１）
上記の目的を達成するために本発明に係る自立電源系統調整装置は、原動機発電機と負荷設備とを有する自立電源系統であって、二次電池と電力変換機とを有する蓄電設備と、自立電源系統の周波数を計測する周波数計測手段と、自立電源系統の電圧を計測する電圧計測手段と、前記周波数計測手段と前記電圧計測手段とからの計測値を用いて、それぞれ有効電力の目標値と無効電力の目標値を算出する系統制御部と、前記系統制御部からの有効電力と無効電力の目標値に応じて有効電力および無効電力を出力する前記電力変換機を備えている。            
【００１６】
この構成によれば、二次電池と電力変換機とからなる蓄電設備において、電力変換機から出力される有効電力および無効電力を制御して、電源系統の周波数と電圧を調整する。ここで有効電力、無効電力を出力するとは、その符号を含んでいて流入と流出とを特に区別しないで説明することがある。また、蓄電設備において、二次電池の代わりにキャパシタを用いてもよい。キャパシタを用いれば蓄電設備として応答性が向上する。
【００１７】
原動機発電機は、例えばディーゼルエンジンを原動機として用いる誘導発電機であってもよく、原動機としてガスタービンや蒸気タービンであってもよい。発電機は同期発電機であってもよい。
【００１８】
本発明にいう自立電源系統とは、商用の電力系統とは独立した電源系統をいう。自立電源系統では、商用の電力系統のような系統電圧や系統周波数を支配する要素はなく、電力の需給により周波数と電圧は定まる。
【００１９】
（請求項２）
本発明に係る自立電源系統調整装置は、前記二次電池に取り付けられた電池状態検出器と、前記電池状態検出器からの信号により前記二次電池のＳＯＣを計算するＳＯＣ計測手段と、前記ＳＯＣ計測手段からの出力とあらかじめ定めたＳＯＣ目標値との偏差により、前記有効電力の目標値を補正する手段を有する。
【００２０】
この構成によれば、二次電池の端子電圧や充放電電流、電池温度やセル圧力などの電池状態を検出する検出器を設けてもよい。電池状態検出器からの検出値に異常がないか監視するために電池監視装置を設けてもよく、当該電池監視装置で電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を計算してもよい。
【００２１】
ここでＳＯＣとは、二次電池の充電状態を示す値であって、満充電された状態を１００％ＳＯＣといい、二次電池に電気量がない状態を０％ＳＯＣという。二次電池を過充電や過放電状態にすると電池寿命に影響を与えて好ましくないので、一般に、電池は２０％ＳＯＣ〜８０％ＳＯＣの間で使用される場合が多い。
【００２２】
（請求項３）
本発明に係る自立電源系統調整装置は、前記周波数計測手段および前記電圧計測手段が、自立電源系統の電圧を計測する電圧計と、前記電圧計の出力を位相同期演算するＰＬＬ演算部とを有する。
【００２３】
この構成によれば、三相交流の電源系統に接続された変成器を介して特定の２相（例えば、ＲＳ相、ＳＴ相）の電圧の瞬時値を検出する。これを例えば計算機に取り込みＰＬＬ演算（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ；位相同期演算）を施して、周波数と電圧を計算する。よって、電力計に比べ計測の遅れが小さいので、良好な応答性を得ることができる。
【００２４】
（請求項４）
本発明に係る自立電源系統調整装置は、前記系統制御部における制御演算が比例制御である。
【００２５】
この構成によれば、有効電力調整ループおよび無効電力調整ループにおいて、制御演算は好ましくは比例制御となる。比例制御演算を行うことにより、他の発電設備と安定に負荷分担を行うことができる。比例制御演算を行なう代わりに、マイナーループとして比例積分制御（ＰＩ）演算を行い、全体としてドループを持たせた制御を行なってもよい。
【００２６】
（請求項５）
本発明に係る自立電源系統調整装置は、前記周波数計測手段の出力に遅れ演算器を設けて時間遅れ演算を施して周波数目標値とし、かつ、前記電圧計測手段の出力に遅れ演算器を設けて時間遅れ演算を施して電圧目標値とする。
【００２７】
この構成によれば、遅れ演算器は時間遅れ処理を施す演算器であって、例えば、一次遅れであってもよい。また、移動平均や二次遅れであってもよい。各計測手段に低周波信号を遮断する高域通過フィルタ処理演算を施し、これに比例定数を乗じて、有効電力および無効電力の目標値としてもよい。
【００２８】
（請求項６）
本発明に係る自立電源系統調整装置は、前記原動機発電機が複数台であって、原動機発電機の負荷状態に応じて、前記原動機発電機の起動停止を行う台数制御を有する。
【００２９】
この構成によれば、好ましくは原動機発電機の台数は少なくとも３台である。原動機発電機の負荷状態とは、運転中の原動機発電機の定格出力の合計に対する運転中の原動機発電機の出力の合計の割合をいう。しかしながら、原動機発電機の個々の定格に対する出力をいうこともある。特に断わらない限り、前者をもって原動機発電機の負荷状態という。
【００３０】
（請求項７）
本発明に係る自立電源系統調整装置は、自立電源系統に自然エネルギーを利用した発電機を接続してなる。
【００３１】
この構成によれば、自然エネルギーを利用した発電機として、太陽電池を用いた太陽光発電機であってもよく、風力エネルギーを利用した風力発電機であってもよい。海洋を航海する船舶にとって太陽光や風力の自然エネルギーに恵まれている。自然エネルギーの有効活用を図れば省エネルギーとＣＯ２削減に寄与することができる。
【００３２】
（請求項８）
本発明に係る自立電源系統調整方法は、原動機発電機と負荷設備と二次電池と当該二次電池の電力変換機とを有する自立電源系統において、自立電源系統の電圧から無効電力の目標値を計算して、自立電源系統の周波数から求めた有効電力の目標値に二次電池の状態から求めた電池のＳＯＣとＳＯＣ目標値との偏差に応じた補正を行い、前記無効電力の目標値および前記有効電力の目標値となるように、前記電力変換器からの無効電力および有効電力を調整する。
【００３３】
（請求項９）
本発明に係る自立電源系統調整方法は、自立電源系統の電圧信号から位相同期演算により自立電源系統の周波数と電圧とを算出する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、以上に説明した構成を有し、簡便でかつ計測に遅れの生じない系統周波数と系統電圧の調整を行うことができる。そして、負荷変動や自然エネルギー発電による擾乱を抑制して電源品質の維持を図り、自立電源系統の電源品質の向上を図ることができる。更には、電源品質維持のために余分に運転されるディーゼル発電機を減らすことにより省エネルギーの実現を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態にかかる自立電源系統の電源系統成図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる自立電源系統の調整装置の制御ブロックを示す図である。
【図３】図２の制御ブロックにおいて、系統電圧及び系統周波数を算出するＰＬＬ演算部の説明図である。
【図４】図２の制御ブロックにおいて、系統制御部内の電圧安定化制御回路を示すブロック図である。
【図５】図２の制御ブロックにおいて、系統制御部内の周波数電圧安定化制御回路を示すブロック図である。
【図６】図２の制御ブロックにおいて、系統制御部内のＳＯＣ補正制御回路を示すブロック図である。
【図７】図２の制御ブロックにおいて、電力制御部の詳細を説明する図である。
【図８】ＳＯＣの計算方法を説明する図である。
【図９】ディーゼル発電機の台数制御を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明に係る自立電源系統制御装置のシミュレーション試験結果を示す図である。
【図１１】従来技術による船舶内の電源系統を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
図１に本発明の実施形態に係る自立電源系統の電源系統図を示す。電源系統（１）は、特に実体があるというものでなく、強いていえば、配線とこれにつながる各種の発電機や負荷設備等から構成されているということができる。
【００３８】
自立電源系統（１）（以下、単に「電源系統（１）」と称す）には３相交流電力が流れるところ、表記を簡単化するために単線系統図として表されている。図１に示す電源系統は、船舶内におけるものであるが、船舶以外であっても自立電源系統であれば本発明の適用が可能である。
【００３９】
電源系統（１）は、公称電圧４４０Ｖ，公称周波数６０Ｈｚの三相交流であって、その系統には、各種の設備が接続されている。すなわち、太陽電池ユニット（３）と電力変換機（４）とからなる太陽光発電機（１０）、二次電池（５）と電力変換制御装置（６）とからなる蓄電設備（１１）および３台のディーゼル発電機（７ａ，７ｂ，７ｃ）とが、図１の左側に接続されている。
【００４０】
図１の右側には船内電力負荷（２）とバウスラスタ（８）とが接続されている。船内の照明や空調のほか船内で消費される電力が船内電力負荷（２）となる。バウスラスタ（８）は、タグボートの助けを借りずに入港時に船舶を岸壁に移動するために設けられており、大型の誘導電動機により駆動される。バウスラスタの起動時には大きな起動電流が流れて、船内電圧の低下等の電源系統（１）に大きな影響を与える。
【００４１】
バウスラスタ（８）の運転が行われない場合は、通常、１台のディーゼル発電機（例えば７ａ）が運転され、船内に必要な電力を供給する。ディーゼル発電機（７）の定格出力は１，０８０ｋＷであって、バウスラスタ（８）を駆動する図示しない誘導電動機の定格出力は１，３５０ｋＷである。
【００４２】
本発明に係る電源系統調整装置の設置する以前においては、バウスラスタ（８）の運転前に、その所要電力を供給するために２台のディーゼル発電機（７）が運転され、誘導電動機の始動時の電源系統の安定化のために更に1台のディーゼル発電機（７）が運転され、合計３台のディーゼル発電機（７）が運転される。しかし、図１に示すように電源系統調整装置が設置されている場合は、バウスラスタ（８）の運転前に、不足電力を補うために１台のディーゼル発電機（７）が運転されるが、電源系統の安定化のためにディーゼル発電機（７）の運転の必要がない。合計２台のディーゼル発電機（７）が運転される。
【００４３】
本発明の実施形態に係る自立電源系統の調整装置について、図２に示す制御ブロックを用いて説明する。図２において、ディーゼル発電機（７）や太陽光発電機（１０）やバウスラスタ（８）等は省略してある。
【００４４】
二次電池（５）は直流電力ライン（２５）を介して、電力変換制御装置（６）の電力変換回路（２０）に接続されている。この電力変換回路（２０）は図示しないパワー半導体素子を高速にＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、二次電池（５）からの直流電力を所定の交流電力に変換して電源系統（１）に出力する、もしくは電源系統（１）からの交流電力を直流電力に変換して二次電池（５）を充電する。
【００４５】
電源系統（１）には電源系統電圧を検出するために電圧検出器（１４）が設置されており、電圧検出器（１４）の出力は配線（２４）を介して、システム制御装置（１５）のＰＬＬ演算部（１６）に接続されている。電圧検出器（１４）はＰＴとして知られる変成器である。
【００４６】
システム制御装置（１５）は、ＰＬＬ演算部（１６）、系統制御部（１７）と電力制御部（１８）から構成されており、ＰＬＬ演算部（１６）からの系統状態信号（２７）は系統制御部（１７）に送られ、系統制御部（１７）からの電力指令信号（２８）は電力制御部（１８）に送られる。
【００４７】
電力制御部（１８）からのゲート駆動信号（２９）は電力変換回路（１９）に送られる。ゲート駆動信号（２９）は、パワー半導体素子のゲートをＰＷＭ制御することにより、二次電池（５）の直流電力は所望の電圧、周波数、位相の交流電力に変換されるとともに電源系統（１）からの交流電力は直流電力に変換されて、二次電池（５）を充電する。
【００４８】
二次電池（５）には二次電池の状態を検出するための電圧、電流、温度、圧力等の電池状態検出器（１９）が取り付けられており、二次電池監視装置（２２）において二次電池の状態を監視する他、二次電池（５）のＳＯＣの計算を行う。
【００４９】
二次電池監視装置（２２）は配線２６ａを介してシステム制御装置（１５）の系統制御部（１７）に接続され、二次電池監視装置（２２）で算出されたＳＯＣが系統制御部（１７）に送出される。また、二次電池の異常信号は配線２６ｂを介して二次電池監視装置（２２）から電力制御部（１８）に送られる。
【００５０】
次に、図３〜図８を用いて本発明の実施形態に係る自立電源系統の調整装置の動作について説明をする。
（１）ＰＬＬ演算
図３は、電源系統（１）の電圧及び周波数を算出するＰＬＬ演算部について説明する図である。すなわち、図３（ａ）は、ＰＬＬ演算ブロック図であり、図３（ｂ）は、ＰＬＬ演算部（１６）における演算処理を示すブロック図である。
【００５１】
電源系統（１）の周波数・位相は電圧検出器（１４）からの電圧値に基づき、ＰＬＬ演算部（１６）において計算で求められる。すなわち、電力変換制御装置（６）内に設置された電圧検出器（１４）により電源系統（１）の線間電圧の瞬時値ＶRS、ＶSTが計測され、ＰＬＬ演算部（１６）に入力される（図７参照）。ＰＬＬ演算部（１６）において、この電圧の瞬時値ＶRS、ＶSTを用いて電源系統（１）の周波数・位相の推定が行われる。
【００５２】
ＰＬＬ演算部（１６）の演算ブロック図を図３に示す。ＰＬＬ演算部（１６）は、線間電圧値（ＶRS、ＶST）から位相θを算出する部分とＰＬＬ演算部（１６）内で推定された位相θ’との偏差を求める位相比較器（３２）と、位相偏差から電源系統（１）の角速度（周波数）を推定するループフィルタ（３４）および推定された角速度を積算し、推定位相θ’を算出する積算器（３５）とで構成されている。
【００５３】
電源系統の位相は、電圧検出器（１４）から得られた系統線間電圧の瞬時値νab（＝ＶRS）とνbc（＝ＶST）をαβ変換することで求める。系統側の各相の相電圧の瞬時値を、
νa、νb、νcとし、瞬時値ベクトルναβを次式のように定義する。
【００５４】
【数１】
2012130146.tif 000003
【００５５】
オイラーの式(εjθ=cosθ＋jsinθ)より瞬時値νベクトルναβは以下のように表現することができる。
【００５６】
【数２】
2012130146.tif 000004
【００５７】
【数３】
2012130146.tif 000005
【００５８】
ここで瞬時値ベクトルναβはa相を基準にした固定座標系(αβ軸)を角速度ωで回転するベクトルとなる。
【００５９】
実際の電力変換制御装置（６）内の電圧検出器（１４）で計測された系統瞬時線間電圧νab、νbcと瞬時相電圧νa、νb、νcは次のような関係にある。
【００６０】
【数４】
2012130146.tif 000006
【００６１】
【数５】
2012130146.tif 000007
【００６２】
従って瞬時値ベクトルは瞬時線間電圧から、
【００６３】
【数６】
2012130146.tif 000008
【００６４】
【数７】
2012130146.tif 000009
【００６５】
で求められる。また、次式よりcosθとsinθが計算されて、位相θが求まる。
【００６６】
【数８】
2012130146.tif 000010
【００６７】
【数９】
2012130146.tif 000011
【００６８】
位相比較器（３２）は、系統電圧の瞬時値から求めた位相θとＰＬＬ演算部（１６）内で推定された位相θ’の偏差を求める。位相偏差θ-θ’はオイラーの式より、
【００６９】
【数１０】
2012130146.tif 000012
【００７０】
θ-θ’が十分小さい場合、この値がほぼ位相差と判断される。
ループフィルタ（３４）は、位相比較器（３２）で求められた位相偏差から、系統の角速度ωを求める。系統周波数は、ループフィルタ（３４）の出力ωから求まる。ループフィルタの伝達関数Ｇ(s)は次式で表される。
【００７１】
【数１１】
2012130146.tif 000013
【００７２】
推定角速度ωを積算器（３５）にて積算して、位相θ’の推定を行う。系統電圧Vは、瞬時値ベクトルναβから次式で求められる。
【００７３】
【数１２】
2012130146.tif 000014
【００７４】
以上に述べた電圧、周波数の検出方法は電源系統に連系する電力変換制御装置に組み込まれているものであることから、本発明を実施するにあたり、新たに検出装置を追加する必要がない。
【００７５】
また、周波数、位相がコンピュータプログラムでの計算により求められているので、応答速度が速い。本発明では周波数・電圧計測の応答速度が設備の性能に影響するが、本方式により、十分な性能が得られる。
【００７６】
ＰＬＬ演算部（１６）で算出された系統電圧Ｖは系統電圧信号（４１）として、また、系統周波数Ｆは系統周波数信号（５１）として系統制御部（１７）に送られる。更に、推定位相θ’がＰＬＬ演算部（１６）から電力制御部（１８）に送られる。
【００７７】
（２）電圧安定化制御
本発明の実施形態に係る電源系統調整装置は、電源系統（１）の電圧変動を監視し、その変動を抑制するように充放電電力（無効電力）を算出する。電源系統（１）の電圧はディーゼル発電機（７）の電圧制御（ＡＶＲ）により一定に維持されているが、負荷変動や他の発電機の発電電力変動があった場合、電圧が変動する。また負荷が消費する無効電力によっても電圧は変動する。
【００７８】
系統制御部（１７）の内部回路である電圧安定化制御回路（４０）の制御ブロック（図４）を用いて、電圧安定化制御の動作について説明する。
図４に示す電圧安定化制御回路（４０）は電圧の変動を検知して、蓄電設備（１１）からの無効電力を調整することにより系統電圧の変動を抑制する。
【００７９】
電圧安定化制御回路（４０）にはＰＬＬ演算部（１６）で算出された系統電圧信号（４１）が入力される。系統電圧信号（４１）は、遅れ演算器（４２）において時間遅れ処理が施されて系統電圧目標値Ｖrefとなり、減算器（４３）に送出される。遅れ演算器（４２）の出力は系統電圧の目標値（Ｖref）を与えることとなる。
【００８０】
減算器（４３）は系統電圧目標値Ｖrefから系統電圧Ｖを減算して、比例制御器（４４）に出力する。比例制御器（４４）は、減算器（４３）の出力（＝Ｖref−Ｖ）に比例定数Ｋｖを乗じて、次段の上下限リミッタ（４５）に送る。そして、上下限リミッタ（４５）にて比例制御器（４４）の出力はＱbat_maxとＱbat_minの間に制限されて、無効電力指令信号（４６）として出力される。
【００８１】
遅れ演算器（４２）は系統電圧目標値Ｖrefを系統電圧の整定値に漸近させる。これにより、電圧安定化制御は電圧の過渡的な変動のみに応答し、定常的に無効電力を出力しつづけることがない。ここで遅れ演算器（４２）は、好ましくは一次遅れ演算により構成されている。その時定数Ｔは試験運転時に調整されるのであるが本実施形態においては１分とした。なお、遅れ演算器（４２）は二次遅れ演算であってもよく、時間遅れ処理を施すものであれば他の演算であってもよい。系統電圧目標値Ｖrefとプロセス量である系統電圧Ｖとの差が制御誤差εvとなる。制御誤差εvの算出に当り、系統電圧信号（４１）に高域通過フィルタ演算を施しても求めてもよい。
【００８２】
（３）周波数安定化制御部
本発明の実施形態に係る電源系統調整装置は、電源系統（１）の周波数変動を監視し、その変動を抑制するように充放電電力（有効電力）を算出する。電源系統（１）の周波数はディーゼル発電機（７）の回転速度制御装置(ガバナ)により一定に維持されているが、負荷変動や他の発電装置の発電電力に変動があった場合、ディーゼル発電機（７）の出力と負荷電力がバランスしなくなり、結果として周波数が一時的に変動する。
【００８３】
系統制御部（１７）の内部回路である周波数安定化制御回路（５０）の制御ブロック（図５）を用いて、周波数安定化制御の動作について説明する。図５に示す周波数安定化制御回路（５０）は周波数の変動を検知し、ディーゼル発電機（７）の出力と負荷電力のアンバランス分を、蓄電設備（１１）の発生する有効電力で補償することにより一時的な周波数変動を抑制する。
【００８４】
周波数安定化制御回路（５０）にはＰＬＬ演算部（１６）で算出された系統周波数信号（５１）が入力される。系統周波数信号（５１）は、遅れ演算器（５２）において時間遅れ処理が施されて系統周波数目標値Ｆrefとなり、減算器（５３）に送出される。遅れ演算器（５２）の出力は系統周波数の目標値（Ｆref）を与えることとなる。
【００８５】
減算器（５３）は系統周波数目標値Ｆrefから系統周波数Ｆを減算して、比例制御器（５４）に出力する。比例制御器（５４）は、減算器の出力（＝Ｆref−Ｆ）に比例定数Ｋｆを乗じて、次段の上下限リミッタ（５５）に送る。そして、上下限リミッタ（５５）にて比例制御器（５４）の出力はＰbat_maxとＰbat_minの間に制限される。この上下限リミッタ（５５）の出力は、加算器（５７）にてＳＯＣ補正制御回路（６０）からの有効電力補正Ｐsoc_cmpが加算されて、有効電力指令信号（５６）として周波数安定化制御回路（５０）から出力される。
【００８６】
遅れ演算器（５２）は周波数安定化制御回路（５０）の周波数目標値を系統周波数の整定値に漸近させる。これにより、周波数安定化制御は周波数の過渡的な変動のみに応答し、定常的に有効電力を出力しつづけることがない。ここで遅れ演算器（５２）は、好ましくは一次遅れ演算により構成されている。その時定数Ｔは試験運転時に調整されるのであるが本実施形態においては１分とした。なお、遅れ演算器（４２）は二次遅れ演算であってもよく、時間遅れ処理を施すものであれば他の演算であってもよい。系統周波数目標値Ｆrefとプロセス量である系統周波数Ｆとの差が制御誤差εfとなる。制御誤差εfの算出に当り、系統周波数信号（５１）に高域通過フィルタ演算を施しても求めてもよい。
【００８７】
（４）ＳＯＣ補正制御
二次電池（５）には二次電池の状態を検出するための電圧計、電流計、温度計、圧力計等の電池状態検出器（２１）が取り付けられており、二次電池監視装置（２２）で、二次電池の状態監視を行うとともに、二次電池のＳＯＣが計算される。ＳＯＣ制御の説明の前に、ＳＯＣの求め方について説明する。
【００８８】
電池の充電状態（ＳＯＣ）を計算する方法として、充放電電流を積算する方法（積算ＳＯＣ法）と電池電圧・電流・温度等から充電状態を推定する方法（瞬時ＳＯＣ法）とがある。ここで、積算ＳＯＣ法は短期間の運用では精度良く計測できる反面、電流の計測誤差、自己放電の影響が累積され、長時間運用した場合、誤差が拡大する問題がある。
【００８９】
一方、瞬時ＳＯＣ法は累積誤差の影響はない反面、充放電電流の時間変化等により、誤差が生じる。本発明に係る実施形態においては、補正ＳＯＣ法を用いてＳＯＣの計算を行っている（図８参照）。すなわち、積算ＳＯＣ法でＳＯＣを計算して、瞬時ＳＯＣとの偏差を求め、その偏差を補正するように充放電電流値に補正を加えて、補正ＳＯＣを求める。本方式は、積算ＳＯＣ法で生じる累積誤差を瞬時ＳＯＣ法で補正することにより、長期間の使用により誤差の累積が抑制され、長期運用を可能としている。
【００９０】
二次電池は過充電（ＳＯＣ＞１００％）や過放電（ＳＯＣ＜０％）になると、電池性能の劣化を招く恐れがあるし、電池電圧が下がり過ぎると、装置が停止する恐れがある。そこで電池使用範囲の上限８０％とし、下限を２０％として二次電池の運用を図っている。このため、８０％と２０％の中間の値（５０％）をＳＯＣ目標値ＳＯＣrefとしている。
【００９１】
二次電池（５）が適正な充電状態を維持するために、あらかじめ定められたＳＯＣの目標値（ＳＯＣref）と二次電池監視装置（２２）で計算されたＳＯＣの偏差から、ＳＯＣ補正電力を計算する。図６を用いてＳＯＣ補正制御の動作について説明する。
【００９２】
図６は系統制御部（１７）の内部回路であるＳＯＣ補正制御回路（６０）の制御ブロックを示す図である。ＳＯＣ補正制御回路（６０）には二次電池監視装置（２２）で算出された二次電池のＳＯＣが配線（２６）を介して入力される。このＳＯＣがＳＯＣ補正制御回路（６０）の内部に設定されたＳＯＣ目標値ＳＯＣrefと減算器（６３）にて比較減算される。
【００９３】
ＳＯＣが目標値（ＳＯＣref）を下回っている場合、周波数安定化制御回路（５０）から出力される有効電力指令値（Ｐbat_ref）が充電側となるよう補正する（Ｐsoc_cmp＜０）。
【００９４】
逆にＳＯＣが目標値（ＳＯＣref）を上回っている場合、有効電力指令値（Ｐbat_ref）が放電側となるよう補正する（Ｐsoc_cmp＞０）。このように、ＳＯＣ補正制御により二次電池の充電状態を一定に保つように制御される。
【００９５】
減算器（６３）の出力が上下限リミッタ（６４）にて、単位変換と上下限制限を受ける。そして上下限リミッタ（６４）の出力は一次遅れ演算器（６６）にて時定数が１分の一次遅れ処理が施されて、ＳＯＣ補正信号（６５）として周波数安定化制御回路（５０）に送出される。
【００９６】
（５）電力制御
以上のように電圧検出器（１４）からの信号に基づきＰＬＬ演算部（１６）で系統周波数と系統電圧とが算出され、系統制御部（１７）で有効電力指令Ｐbat_refと無効電力指令Ｑbat_refが算出されて、電力指令信号（２８）として電力制御部（１８）に送られる。
【００９７】
電力制御部（１８）は、有効電力指令Ｐbat_refと無効電力指令Ｑbat_refに基づき、電力変換回路（２０）にパワー半導体素子のＯＮ／ＯＦＦを行うゲート駆動信号（２９）を送出する。パワー半導体は、有効電力および無効電力が、それぞれ有効電力指令Ｐbat_refと無効電力指令Ｑbat_refになるようＰＷＭ制御される。
【００９８】
電力制御の詳細について、図７に示す電力制御ブロック図を用いて説明する。電力変換制御装置（６）内に設置された電流検出器（１３）により蓄電設備（１１）に流れる線電流の瞬時値が計測され、電力制御部（１８）に伝えられる。この電流値についてＰＬＬ演算部（１６）から送られてくる位相θに基づきｄｑ変換をして、ｄ軸電流とｑ軸電流が計算される。
【００９９】
一方、系統制御部（１７）から送られてきた有効電力指令Ｐbat_refと無効電力指令Ｑbat_refはｄ軸電流目標値とｑ軸電流目標値とに変換されて、電流検出器（１３）から求めたｄ軸電流およびｑ軸電流と比較され、ＰＩ制御器を通り、ｄｑ逆変換されて、ゲート駆動信号（２９）となり電力変換回路（２０）に送られる。
【０１００】
二次電池監視装置（２２）において、二次電池に異常が見つかれば、電池異常信号を配線２６ｂにて、システム制御装置（１５）の電力制御部（１８）に送り、ゲート駆動信号（２９）の送出を停止して、電力変換回路（２０）の作動を停止させて、二次電池（５）の保護を図る。二次電池の異常としては、過電流、電圧低下、過電圧、過充電、過放電、電池温度異常、電池圧力異常、装置異常等がある。
【０１０１】
（７）ディーゼル発電機の台数制御
図１に示したディーゼル発電機（７ａ、７ｂ、７ｃ）の運転制御について説明する。バウスラスタ（８）を運転していないときは船内電力負荷（２）をまかなうために１台のディーゼル発電機（７）が運転されている。
【０１０２】
入出航時にバウスラスタ（８）を運転する前に、事前にディーゼル発電機（７）を起動しておき、船内の電源系統の安定化を図る。すなわち、バウスラスタ（８）の運転に必要な電力を供給するために１台のディーゼル発電機（７）が起動され、更に誘導電動機始動時の電源系統の安定化のためにディーゼル発電機（７）が起動され、都合２台のディーゼル発電機（７）が運転される。ディーゼル発電機（７）の起動もしくは停止は運転員が運転ボタンを押下することにより行われる。ディーゼル発電機（７）は手動により運転／停止が可能となっている。
【０１０３】
基本的には、船内で必要な電力はディーゼル発電機（７）によりまかなわれ、本発明に係る蓄電設備（１１）は、ディーゼル発電機（７）が追従できないような過渡的な負荷変動や太陽光発電機（１０）による系統への擾乱を補償するために設けられたものである。
【０１０４】
ディーゼル発電機（７）にはＤＧ台数制御装置（９）が設けられており、図９に示すフローチャートによりディーゼル発電機（７）の運転台数が自動で制御される。ディーゼル発電機（７）の負荷が８０％以上の状態が５分以上継続する場合は（Ｓ６）、ディーゼル発電機（７）の運転台数を減らし（Ｓ７、Ｓ８）、負荷が３０％以下の状態が５分以上継続する場合は（Ｓ９）、ディーゼル発電機（７）の運転台数を増やす（Ｓ１０、Ｓ１１）。
【０１０５】
本発明に係る電源系統調整装置を設置すれば、電源系統の安定化のためにディーゼル発電機（７）を余分に運転する必要がなくなり、燃料消費率の改善を図ることができる。
【０１０６】
（８）試験結果
図１０に電源系統（１）において負荷が４００ｋＷ（力率０．８）から６００ｋＷ（力率０．８）に急変し、その後４００ｋＷ（力率０．８）に減少した場合について、本発明に係る電源系統調整装置による制御がある場合とない場合の電圧および周波数変動の差異を示す。図１０（ａ）は系統電圧を縦軸にとり、時間（秒）を横軸にとり、負荷投入の影響を示している。図１０（ｂ）は系統周波数を縦軸にとり、時間（秒）を横軸にとり、負荷投入の影響を示している。系統安定化制御を行う蓄電設備（１１）を導入することにより、電圧および周波数の変動が抑制され、系統の電源品質が向上して、系統安定度が増していることがわかる。
【０１０７】
電源系統（１）の安定度が増していることから、系統安定度を確保するため、余分に運転しているディーゼル発電機を停止させることが可能となり、燃料消費効率を改善することを可能としている。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明に係る自立電源系統調整装置は、船舶内における電源系統の品質の維持管理の制御装置としてとして好適に用いることができる。また、陸上の一般の自立電源系統にも活用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１  自立電源系統
２  船内電力負荷
３  太陽電池ユニット
４  電力変換装置
５  二次電池
６  電力変換制御装置
７  ディーゼル発電機
８  バウスラスタ
９  Ｄ／Ｇ台数制御装置（ディーゼル発電機台数制御装置）
１０  太陽光発電機
１１  蓄電設備
１３  電流検出器
１４  電圧検出器
１５  システム制御装置
１６  ＰＬＬ演算部
１７  系統制御部
１８  電力制御部
２０  電力変換回路
２１  電池状態検出器
２２  二次電池監視装置
２４  配線
２５  直流電力ライン
２６  配線
２７  系統状態信号
２８  電力指令信号
２９  ゲート駆動信号（ＰＷＭ信号）
３２  位相比較器
３４  ループフィルタ
３５  積算器
４０  電圧安定化制御回路
４１  系統電圧信号
４２  遅れ演算器
４３  減算器
４４  比例制御器
４５  上下限リミッタ
４６  無効電力指令
５０  周波数安定化制御回路
５１  系統周波数信号
５２  遅れ演算器
５３  減算器
５４  比例制御器
５５  上下限リミッタ
５６  有効電力指令
５７  加算器
６０  ＳＯＣ補正制御回路
６１  ＳＯＣ目標値
６３  減算器
６４  上下限リミッタ
６５  ＳＯＣ補正信号
６６  一次遅れ演算器
１０１  船内電源系統
１０２  船内電力負荷（需要家）
１０３  太陽電池ユニット
１０４  電力変換装置
１０５  二次電池
１０６  電力変換装置
１０７  ディーゼル発電機
１０８  バウスラスタ
１０９  風力発電機
【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】
2012130146.tif 000021
【図８】
2012130146.tif 000022
【図９】
2012130146.tif 000023
【図１０】
2012130146.tif 000024
【図１１】
2012130146.tif 000025