(57)【要約】      （修正有）【課題】船舶に搭載される発電のためのエンジンの種類を減らす。【解決手段】ガス燃料を使用するガス運転が可能な主機２１と、主機２１によって回転駆動される推進機２２と、主機２１の動力を受けて発電する軸発電機３１とを搭載した船舶１０Ａにおいて、主機２１の低負荷時に、主機２１をガス運転し、主機２１の回転動力を利用して少なくとも１つの軸発電機３１で発電を行い、少なくとも１つの軸発電機３１の発電電力を船内電力系統３に含まれる船内主母線３２へ供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃料を使用するガス運転が可能な主機と、
前記主機から推進軸を介して伝達された回転力により駆動される推進機と、
船内主母線へ電力を供給する発電機とを備え、
前記発電機が、前記推進軸の回転を利用して発電する少なくとも１つの軸発電機のみから成る、
船舶。
【請求項２】
航行時に前記主機から前記軸発電機及び前記推進機への動力の伝達が許容され、停泊時に前記主機から前記推進機への動力の伝達が禁止され且つ前記主機から前記軸発電機への動力の伝達が許容されるように動作する、前記推進軸に設けられたクラッチを更に備える、請求項１に記載の船舶。
【請求項３】
前記軸発電機と前記船内主母線との間に設けられ、前記軸発電機の交流周波数を前記船内主母線の交流周波数へ変換するとともに、前記軸発電機の交流電圧を前記船内主母線の交流電圧へ変換する電力変換装置を更に備える、
請求項１又は２に記載の船舶。
【請求項４】
交流端が前記船内主母線に接続された第１電力変換器、交流端が前記軸発電機に接続された第２電力変換器、及び、前記第１電力変換器の直流端と前記第２電力変換器の直流端を接続する直流中間部とを有する電力変換装置と、
前記船内主母線の周波数を検出する周波数検出器と、
前記船内主母線の電圧を検出する第１電圧検出器と、
前記直流中間部の電圧を検出する第２電圧検出器と、
前記電力変換装置の出力を制御する発電制御装置とを更に備え、
前記発電制御装置は、前記周波数検出器及び前記第１電圧検出器の検出値に基づいて前記船内主母線の周波数が所定の周波数目標値となり且つ前記船内主母線の電圧が所定の電圧目標値となるように前記第１電力変換器の出力を制御し、前記第２電圧検出器の検出値に基づいて前記直流中間部の電圧が所定の直流中間電圧目標値となるように前記第２電力変換器の出力を制御する、
請求項１又は２に記載の船舶。
【請求項５】
前記発電制御装置は、所定のドループ特性に基づいて、前記第１電力変換器の出力を制御する、
請求項４に記載の船舶。
【請求項６】
前記船内主母線は陸上電源と接続可能であって、
前記発電制御装置は、前記船内主母線が前記陸上電源と接続されているときに、前記陸上電源と前記船内主母線とを同期させるように前記所定のドループ特性を調整する、請求項５に記載の船舶。
【請求項７】
電力貯蔵装置と、
交流端が前記船内主母線に接続され且つ直流端が前記電力貯蔵装置に接続された貯蔵電力変換装置とを更に備える、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の船舶。
【請求項８】
電力貯蔵装置と、
一方の直流端が前記直流中間部に接続され且つ他方の直流端が前記電力貯蔵装置に接続された貯蔵電力変換装置とを更に備える、
請求項４〜６のいずれか一項に記載の船舶。
【請求項９】
前記貯蔵電力変換装置は、前記主機の所定の負荷目標値が前記推進機の負荷を上回るときに前記電力貯蔵装置を充電させ、前記主機の前記所定の負荷目標値が前記推進機の負荷を下回るときには前記電力貯蔵装置を放電させる、
請求項７又は８に記載の船舶。
【請求項１０】
前記貯蔵電力変換装置は、前記船内主母線の周波数が所定の周波数目標値を上回るとき又は前記船内主母線の電圧が所定の電圧目標値を上回るときに前記電力貯蔵装置を充電させ、前記船内主母線の周波数が前記所定の周波数目標値を下回るとき又は前記船内主母線の電圧が前記所定の電圧目標値を下回るときに前記電力貯蔵装置を放電させる、
請求項７又は８に記載の船舶。
【請求項１１】
前記貯蔵電力変換装置は、所定のドループ特性に基づいて、前記船内主母線の周波数が所定の周波数目標値となり且つ前記船内主母線の電圧が所定の電圧目標値となるように前記電力貯蔵装置の充電及び放電を制御する、
請求項７に記載の船舶。
【請求項１２】
ガス燃料を使用するガス運転が可能な主機を搭載した船舶の船内電力系統への電力供給方法であって、
前記主機の低負荷時に、前記該主機をガス運転し、前記主機の回転動力を利用して少なくとも１つの軸発電機で発電を行い、前記少なくとも１つの軸発電機の発電電力を前記船内電力系統に含まれる船内主母線へ供給することを特徴とする、
船内電力系統への電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス燃料を使用可能な主機を搭載した船舶及びその船内電力系統への電力供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンを主機として搭載した船舶において、主機の回転動力を利用した軸発電機を備える推進システムが知られている。非特許文献１にはこのような推進システムが記載されている。
【０００３】
非特許文献１の１２〜１４ページには、主機と、主機と推進軸で接続された主推進機と、推進軸に設けられた軸発電機と、補助発電機と、船首推進機とを備えた、ある種の典型的な船舶の推進システム及び電力系統が示されている。この文献には、航海時は船首推進機の駆動などのために船内電力負荷が大きくなり、これを軸発電機で発電した電力で賄うこと、また、補助発電機の出力は船首推進機の容量よりも小さいことなどが示されており、すなわち、補助発電機は船舶の居住区域等の基本的な電力負荷のための電力のみを賄うのが一般的である。
【０００４】
一方、国際海事機関(IMO)によって、段階的に硫黄酸化物(SOx)の排出規制が強化されている。旧来のＣ重油を燃料とするディーゼルエンジンは、SOxの排出量が多いため、排煙脱硫装置を設けることで規制をクリアしているが、処理に費用を要するスラッジ等の発生をできるだけ少なくするような運用が行われている。具体的には、ディーゼルエンジンを低負荷で運転すると、単位出力当たりのSOxが大幅に増加するので、常に高負荷でエンジンが運転されるように、航行時は補助発電機を停止して、主機によって駆動される軸発電機で発電することで主機を高負荷に保ち、停泊時は主機を停止して、より小さな補助発電機で発電することで補助発電機を高負荷に保つことが行われてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】I. C. Clark and M. Hancox, “Anchor Handling Tug Operations”, 2012
【非特許文献２】G. Marina & E. Gatti, “Large Power PWM IGBT Converter for Shaft Alternator Systems”, 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のようなディーゼルエンジンを主機として搭載した従来の船舶では、軸発電機と補助発電機のために２種類のエンジンを備えることとなり、これらのメンテナンスが煩雑であり手間及びコストを要するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ところで、主機にガスエンジンを採用する船舶が建造されつつある。ガスエンジンは、天然ガスを燃料として駆動するエンジンである。天然ガスは燃焼時にSOxを発生しないため、排煙脱硫装置を設ける必要もなく、SOx対策のためにエンジンを高負荷率に保つ必要もない。しかし、従来のガスエンジン船では、ディーゼルエンジン船の推進システム構成と運用を踏襲しており、この特長を活かした船舶の推進システムは提案されてこなかった。そこで、本発明では、例えばガスエンジンなどの、少なくとも低負荷時にガス運転を行う主機と、この主機の動力を利用した軸発電機を備えた船舶を提案し、上記課題を軽減しようとしている。
【０００８】
即ち、本発明の一態様に係る船舶は、
ガス燃料を使用するガス運転が可能な主機と、
前記主機から推進軸を介して伝達された回転力により駆動される推進機と、
船内主母線へ電力を供給する発電機とを備え、
前記発電機が、前記推進軸の回転を利用して発電する少なくとも１つの軸発電機のみから成ることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る船内電力系統への電力供給方法は、ガス燃料を使用するガス運転が可能な主機を搭載した船舶の船内電力系統への電力供給方法であって、
前記主機の低負荷時に、前記主機をガス運転し、前記主機の回転動力を利用して少なくとも１つの軸発電機で発電を行い、前記少なくとも１つの軸発電機の発電電力を前記船内電力系統に含まれる船内主母線へ供給することを特徴とするものである。
【００１０】
上記船舶及びその船内電力系統への電力供給方法によれば、主機の低負荷時に軸発電機で発電をして船内電力系統の電力需要を賄うことができる。よって、経済的理由から主機と補助発電機用エンジンを使い分ける必要がなく、航行時、停泊時とも主機の動力を利用して発電することで、従来の補助発電機及び補助発電機用エンジンを船舶から省くことができる。
【００１１】
上記船舶は、航行時に前記主機から前記軸発電機及び前記推進機への動力の伝達が許容され、停泊時に前記主機から前記推進機への動力の伝達が禁止され且つ前記主機から前記軸発電機への動力の伝達が許容されるように動作する、前記推進軸に設けられたクラッチを更に備えてもよい。
【００１２】
上記によれば、クラッチの動作により、船舶の停泊時に主機を運転して軸発電を行うことができる。
【００１３】
上記船舶は、前記軸発電機と前記船内主母線との間に設けられ、前記軸発電機の交流周波数を前記船内主母線の交流電力の周波数へ変換するとともに、前記軸発電機の交流電圧を前記船内主母線の交流の電圧へ変換する電力変換装置を更に備えてもよい。
【００１４】
上記によれば、軸発電機は電力変換器に供給する交流周波数を船内主母線の交流周波数に制御する必要がなくなるので、主機を可変速運転することができる。これにより、推進機のプロペラピッチロスを削減できる。
【００１５】
上記船舶は、交流端が前記船内主母線に接続された第１電力変換器、交流端が前記軸発電機に接続された第２電力変換器、及び、前記第１電力変換器の直流端と前記第２電力変換器の直流端を接続する直流中間部とを有する電力変換装置と、前記船内主母線の周波数を検出する周波数検出器と、前記船内主母線の電圧を検出する第１電圧検出器と、前記直流中間部の電圧を検出する第２電圧検出器と、前記電力変換装置の出力を制御する発電制御装置とを更に備えてもよい。ここで、前記発電制御装置が、前記周波数検出器及び前記第１電圧検出器の検出値に基づいて前記船内主母線の周波数が所定の周波数目標値となり且つ前記船内主母線の電圧が所定の電圧目標値となるように前記第１電力変換器の出力を制御し、前記第２電圧検出器の検出値に基づいて前記直流中間部の電圧が所定の直流中間電圧目標値となるように前記第２電力変換器の出力を制御してもよい。
【００１６】
上記によれば、系統周波数及び系統電圧が所定の目標値となるように電力変換装置の出力が制御されるので、電力変換装置を自立運転させることができる。
【００１７】
上記船舶において、前記発電制御装置は、所定のドループ特性に基づいて、前記第１電力変換器の出力を制御してもよい。
【００１８】
上記によれば、電力変換装置の出力がドループ特性を持つので、複数の軸発電機を船内主母船に接続してこれらを並列運転することができる。
【００１９】
上記船舶において、前記船内主母線は陸上電源と接続可能であって、前記発電制御装置は、前記船内主母線が前記陸上電源と接続されているときに、前記陸上電源と前記船内主母線とを同期させるように前記所定のドループ特性を調整するように構成されていてよい。
【００２０】
上記によれば、船内主母線が陸上電源に接続されているときに、停電を伴わずに軸発電機から陸上電源へ電力源の切り替えができる。
【００２１】
上記船舶が、電力貯蔵装置と、交流端が前記船内主母線に接続され且つ直流端が前記電力貯蔵装置に接続された貯蔵電力変換装置とを更に備えてもよい。
【００２２】
上記によれば、主機の負荷変動による軸発電機の発電電力の変動を電力貯蔵装置から放電される電力で補償することができる。
【００２３】
或いは、上記船舶が、電力貯蔵装置と、一方の直流端が前記直流中間部に接続され且つ他方の直流端が前記電力貯蔵装置に接続された貯蔵電力変換装置とを更に備えてもよい。
【００２４】
上記によれば、主機の負荷変動による軸発電機の発電電力の変動を電力貯蔵装置から放電される電力で補償することができる。
【００２５】
前記貯蔵電力変換装置は、前記主機の所定の負荷目標値が前記推進機の負荷を上回るときに前記電力貯蔵装置を充電させ、前記主機の前記所定の負荷目標値が前記推進機の負荷を下回るときには前記電力貯蔵装置を放電させてもよい。
【００２６】
上記によれば、主機の負荷変動による軸発電機の発電電力の変動を電力貯蔵装置から放電される電力で補償することができる。
【００２７】
上記船舶において、前記貯蔵電力変換装置は、前記船内主母線の周波数が所定の周波数目標値を上回るとき又は前記船内主母線の電圧が所定の電圧目標値を上回るときに前記電力貯蔵装置を充電させ、前記船内主母線の周波数が前記所定の周波数目標値を下回るとき又は前記船内主母線の電圧が前記所定の電圧目標値を下回るときに前記電力貯蔵装置を放電させてもよい。
【００２８】
上記によれば、主機の負荷変動を誘発せずに、船内主母線の周波数又は電圧の変動を抑制することができる。
【００２９】
上記船舶において、前記貯蔵電力変換装置は、所定のドループ特性に基づいて、前記船内主母線の周波数が所定の周波数目標値となり且つ前記船内主母線の電圧が所定の電圧目標値となるように前記電力貯蔵装置の充電及び放電を制御してもよい。
【００３０】
上記によれば、主機の負荷変動による軸発電機の発電電力の変動が電力貯蔵装置から供給される電力により補償される。また、例え主機が失火しても、電力貯蔵装置が放電して船内母線への給電が自動的に継続される。よって、船内負荷へ安定した電力供給を行うことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、航行時と停泊時で発電のためのエンジンを使い分ける必要がなく、従来の補助発電機を省くことができる。よって、発電のためのエンジンの種類を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る船舶の推進システム及び電力系統の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態の変形例１に係る船舶の推進システム及び電力系統の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る船舶の推進システム及び電力系統の概略構成を示すブロック図である。
【図４】軸発電機の制御系統の構成を示すブロック図である。
【図５】軸発電機を制御する際に設定されるドループ特性線を示す図表である。
【図６】主機を固定回転数運転した場合と可変速運転した場合の主機出力と推力の関係を示す図表である。
【図７】第２実施形態の変形例１に係る船舶の推進システム及び電力系統の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る船舶の推進システム及び電力系統の概略構成を示すブロック図である。
【図９】主機と推進機の負荷の経時変化を示す図表である。
【図１０】主機と推進機の負荷の経時変化を示す図表である。
【図１１】電力貯蔵制御装置の処理の流れを示すブロック図である。
【図１２】第３実施形態の変形例１に係る船舶の推進システム及び電力系統の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、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一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００３４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る船舶１０Ａの推進システム２及び電力系統３の概略構成を示すブロック図であり、図２は第１実施形態の変形例１に係る船舶１０Ａの推進システム２及び電力系統３の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１実施形態に係る船舶１０Ａは、推進システム２と、電力系統３とを備えている。
【００３５】
（推進システム２）
船舶１０Ａの推進システム２は、機械推進式であって、主機２１と、推進機２２と、主機２１と推進機２２とを機械的に接続する推進軸２３などとを備えている。
【００３６】
本実施形態に係る主機２１は、ガスエンジンである。但し、主機２１は、天然ガスなどのガス燃料を使用するガス運転が可能なエンジンであれば、ガスエンジンに限定されない。例えば、重油などの液体燃料を使用するディーゼル運転とガス運転とを切替可能な二元燃料エンジンを、主機２１として採用してもよい。この主機２１は、少なくとも主機２１の低負荷時にガス運転される。
【００３７】
推進機２２は、プロペラなどの船舶１０Ａに推進力を与えるものである。本実施形態に係る推進機２２は可変ピッチプロペラであって、ピッチ角を前進から後進まで自由に変えることができる。推進機２２は、推進軸２３によって主機２１から伝達された回転力により駆動される。ここで「推進軸２３」は、プロペラ軸、中間軸、及び、減速機（図示せず）などを含めた、主機２１から推進機２２へ軸出力を伝達する軸系を表している。
【００３８】
（電力系統３）
船舶１０Ａの電力系統３は、配線とこれにつながる発電機や負荷設備等から構成されている。本実施形態に係る船舶１０Ａの電力系統３は、軸発電機３１と、船内主母線３２と、軸発電機３１と船内主母線３２を繋ぐ出力線３４と、船内主母線３２と接続された少なくとも１つの船内負荷３５などを備えている。船内負荷３５には、船内の照明や空調、バウスラスタ（船首推進機）などの船内で消費される電力が含まれる。
【００３９】
軸発電機３１は、推進軸２３の回転、つまり、主機２１の回転動力を利用して発電する発電機であって、推進軸２３に設けられている。軸発電機３１の発電電力は出力線３４を通じて船内主母線３２へ供給される。軸発電機３１は、図１に示すような、推進軸２３上に設けられて推進軸２３から直接的に回転動力を取り出す態様に限定されず、図２に示すように、推進軸２３上に設けられた減速装置２７を介して回転動力を取り出す態様であってもよい。
【００４０】
上記構成の船舶１０Ａにおいて、主機２１は航海時と停泊時の両方において運転され、軸発電機３１は航海時と停泊時の両方において発電を行う。このように航海時と停泊時の両方において発電を行う軸発電機３１は、船舶１０Ａの航海時に船内の電力需要を賄う電力を発生させる発電機としての機能と、船舶１０Ａの停泊時に船内の電力需要を賄う電力を発生させる発電機としての機能とを併せ備えている。つまり、軸発電機３１は、従来の主発電機且つ補助発電機としての機能を有している。そのため、船舶１０Ａには、従来の船舶が備えている補助発電機及び補助発電機用エンジンを備えていない。
【００４１】
主機２１を固定回転数運転する際に、軸発電機３１の発電電力を維持しながら、推進機２２が発生させる推力を変化させる場合には、推進機２２の翼角が変更される。但し、翼角の変更に代えて又は加えて、推進軸２３から軸発電機３１への動力伝達経路に無段階変速装置を備えて、推進軸２３から軸発電機３１へ入力される回転動力が調整されてもよい。
【００４２】
船舶１０Ａは、主機２１から推進機２２へ動力の伝達の許容と禁止とを切換可能とするクラッチ２６を備えてもよい。クラッチ２６は、推進軸２３の軸発電機３１よりも動力伝達経路の下流側に設けられている。クラッチ２６の切換は、自動制御により又は手動制御により、図示されないアクチュエータによって行われる。
【００４３】
クラッチ２６は、船舶１０Ａの航行時には、主機２１から推進機２２への動力の伝達を許容し、且つ、主機２１から軸発電機３１への動力の伝達を許容するように、推進軸２３を接続する。また、クラッチ２６は、船舶１０Ａの停泊時には、主機２１から推進機２２への動力の伝達を禁止し、且つ、主機２１から軸発電機３１への動力の伝達を許容するように、推進軸２３を切断する。停泊時は、上記のようにクラッチ２６が切り換えられたうえで、主機２１がガス運転を行うことにより、軸発電機３１で発電が行われる。
【００４４】
以上に説明したように、本実施形態の船舶１０Ａは、ガス燃料を使用するガス運転が可能な主機２１と、主機２１から推進軸２３を介して伝達された回転力により駆動される推進機２２と、船内主母線３２へ電力を供給する発電機とを備えている。そして、その発電機が、推進軸２３の回転を利用して発電する少なくとも１つの軸発電機３１から成る。
【００４５】
また、本実施形態の船内電力系統３の電力供給方法では、主機２１の低負荷時に当該主機２１をガス運転し、主機２１の回転動力を利用して少なくとも１つの軸発電機３１で発電を行い、少なくとも１つの軸発電機３１の発電電力を船内電力系統３に含まれる船内主母線３２へ供給する。
【００４６】
ガス運転が可能な主機２１（例えば、ガスエンジン）では、ガス運転時は負荷率にかかわらずSOxをほとんど発生しない。したがって、ガス運転が可能な主機２１を低負荷時にガス運転させて、軸発電機３１で発電を行うことができる。つまり、従来の航行時に加えて、停泊時にも軸発電機３１で発電を行うことができる。
【００４７】
本実施形態の船舶１０Ａ及びその船内電力系統３の電力供給方法によれば、環境規制対応およびスラッジ等の処理コストの理由から主機と補助発電機用エンジンとを使い分ける必要がなく、航行時、停泊時とも主機２１の動力を利用して発電することで、従来の補助発電機及び補助発電機用エンジンを省くことができる。つまり、船内主母線３２へ電力を供給する発電機は軸発電機３１の一種類のみであってよい。よって、従来の補助発電機及び補助発電機用エンジンを省くことができるので、これらのメンテナンスに要する手間及びコストを削減することができる。
【００４８】
また、本実施形態の船舶１０Ａは、航行時に主機２１から軸発電機３１及び推進機２２への動力の伝達が許容され、停泊時に主機２１から推進機２２への動力の伝達が禁止され且つ主機２１から軸発電機３１への動力の伝達が許容されるように動作する、推進軸２３に設けられたクラッチ２６を更に備えている。
【００４９】
これにより、停泊時に、主機２１をガス運転して、推進機２２へは動力の伝達を禁止しつつ、軸発電機３１で発電を行うことができる。これにより、エネルギーロスを削減することができる。また、航行時及び停泊時の両方において主機２１の動力を利用して発電を行うことで、主機と補助発電機用エンジンとを使い分ける必要がなく、従来の補助発電機及び補助発電機用エンジンを船舶１０Ａから省くことができる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る船舶１０Ｂの推進システム２及び電力系統３の概略構成を示すブロック図、図４は軸発電機３１の制御系統の構成を示すブロック図、図５は軸発電機３１を制御する際に設定されるドループ特性線を示す図表、図６は主機２１を固定回転数運転した場合と可変速運転した場合の主機出力と推力の関係を示す図表、図７は第２実施形態の変形例１に係る船舶１０Ｂの推進システム２及び電力系統３の概略構成を示すブロック図である。
【００５１】
図３及び図４に示すように、本実施形態に係る船舶１０Ｂは、前述の第１実施形態に係る船舶１０Ａに、電力変換装置２５、主機制御装置４１、及び、発電制御装置４２などを更に備えることを特徴としている。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
電力変換装置２５は、軸発電機３１の交流電力を船内主母線３２の交流電力へ変換する機器である。
【００５３】
本実施形態に係る電力変換装置２５は、直流路３７により接続された第１電力変換器２５ａと第２電力変換器２５ｂとを有している。但し、電力変換装置２５はこの構成に限定されず、前述の変換機能を有するものであればよい。例えば、電力変換装置２５としてＡＣ−ＡＣ変換器が用いられてもよい。
【００５４】
第１電力変換器２５ａは、系統側電力変換器であって、例えば、インバータで構成されている。第１電力変換器２５ａの交流端は電路３６を介して船内主母線３２に接続され、且つ、直流端は直流路３７（直流中間部）に接続されている。第１電力変換器２５ａは、直流路３７から入力された直流電力を交流電力に変換して船内主母線３２に出力する。
【００５５】
第２電力変換器２５ｂは、発電機側電力変換器であって、例えば、コンバータで構成されている。第２電力変換器２５ｂの直流端は直流路３７（直流中間部）に接続され、且つ、交流端は電路３８を介して軸発電機３１に接続されている。第２電力変換器２５ｂは、軸発電機３１から入力された交流電力を直流電力に変換して直流路３７へ出力する。なお、直流路３７にキャパシタを接続し、これにより直流路３７の電圧の変動を平滑化してもよい。
【００５６】
主機制御装置４１は、主機２１を回転数制御する装置であって、主機２１及び発電制御装置４２に信号線により接続されている。発電制御装置４２は、軸発電機３１を制御する装置であって、主機制御装置４１、並びに、電力変換装置２５の第１電力変換器２５ａ及び第２電力変換器２５ｂに信号線により接続されている。発電制御装置４２は、より詳細には、第１電力変換器２５ａを制御する第１電力変換器制御部と、第２電力変換器２５ｂを制御する第２電力変換器制御部とを有しており、これらの制御部が独立した演算制御装置として構成されていてもよい。なお、各制御装置４１，４２は、１つの演算制御装置で構成されていてもよいし、個別の演算制御装置でそれぞれ構成されていてもよい。これら各制御装置４１，４２が１つの演算制御装置で構成される場合、各制御装置４１，４２の機能は当該１つの演算制御装置に格納されたプログラムによって実現される。
【００５７】
発電制御装置４２には、系統周波数検出器４６、系統電圧検出器４７、直流中間電圧検出器４８、電力検出器４９、及び、無効電力検出器５０などの各種検出器が電気的に接続されている。なお、これらの検出器４６〜５０のうち少なくとも２つが複合されていてもよい。
【００５８】
系統電圧検出器４７は、船内主母線３２の電圧（即ち、電力系統３の電圧）を検出する検出器である。以下では、電力系統３の電圧を「系統電圧」ということがある。
【００５９】
系統周波数検出器４６は、船内主母線３２の周波数（即ち、電力系統３の周波数）を検出する検出器である。以下では、電力系統３の周波数を「系統周波数」ということがある。但し、系統周波数検出器４６に代えて、電力変換装置２５から船内主母線３２へ出力される電力の電流値を検出する電流計を備え、発電制御装置４２が電流計と系統電圧検出器４７の検出結果を用いて系統周波数を求めるように構成されていてもよい。
【００６０】
直流中間電圧検出器４８は、直流路３７（直流中間部）の電圧を検出する検出器である。以下では、直流路３７の電圧を「直流中間電圧」ということがある。
【００６１】
電力検出器４９は、電力変換装置２５から船内主母線３２へ出力された有効電力を計測する検出器である。また、無効電力検出器５０は、電力変換装置２５から船内主母線３２へ出力された無効電力を計測する検出器である。軸発電機３１と船内主母線３２との間で授受される電力は、有効電力成分と無効電力成分とから構成される。有効電力は船内負荷３５で動力として消費される電力であり、無効電力は動力として消費されずに電力系統３内で循環する電力である。なお、電力検出器４９と無効電力検出器５０に代えて、電力変換装置２５から船内主母線３２へ出力された電流を検出する電流計を備えて、発電制御装置４２が電流計と系統電圧検出器４７の検出値に基づいて有効電力と無効電力を求めるように構成されていてもよい。
【００６２】
続いて、発電制御装置４２による電力変換装置２５（軸発電機３１）の制御について詳細に説明する。
【００６３】
発電制御装置４２は、系統周波数が所定の周波数目標値となり且つ系統電圧が所定の電圧目標値になるように第１電力変換器２５ａを制御する。また、発電制御装置４２は、直流中間電圧が一定になるように第２電力変換器２５ｂを制御する。
【００６４】
上記において、発電制御装置４２は、第１電力変換器２５ａをドループ制御することが望ましい。つまり、発電制御装置４２が、周波数の制御目標値と電圧の制御目標値とをそれぞれ所与のドループ特性に基づいて決定することが望ましい。なお、ドループ特性線は、電力系統３の標準周波数または標準電圧、軸発電機３１に対する有効または無効電力指令値、傾きなどにより定められ、予め発電制御装置４２に設定されている。但し、ドループ特性線は、有効または無効電力指令値に応じて傾きが変化するものであってもよい。
【００６５】
図５は、軸発電機３１の周波数を制御する際に設定されるドループ特性線を示す図表である。図５の図表は、縦軸に発電周波数を示し、横軸に発電電力（即ち、有効電力）を示している。この図表に示されたドループ特性線は、発電電力の増加に伴い発電周波数が低下するという特徴を有する。発電制御装置４２は、有効電力の検出値と対応するドループ特性線上の点に基づいて周波数目標値を求め、これを系統周波数目標値として制御に用いる。同様に、発電制御装置４２は、無効電力の増加に伴い発電電力の電圧が低下するという特徴を有するドループ特性に基づいて、無効電力の検出値と対応する電圧目標値を求め、これを系統電圧目標値として制御に用いる。更に、発電制御装置４２は、系統周波数目標値と、系統電圧目標値と、検出した系統周波数、系統電圧、有効電力及び無効電力などとから、第１電力変換器２５ａの出力電圧と出力電流を求める。
【００６６】
上記の電力系統３では、船内主母線３２に接続された軸発電機３１が１台であって、船内負荷が増加すると、軸発電機３１が発電する有効電力は増加し、ドループ特性にしたがって軸発電機３１は、発電周波数がやや低下した状態で安定して運転される。これにより、電力系統３は、やや低下した系統周波数で安定する。あるいは、パワマネジメントシテムを設け、系統周波数を検出し、図５におけるドループ特性線の位置を上下方向に調整してもよい。この例においては、パワマネジメントシステムは、系統周波数の低下を検出し、ドループ特性線の位置を上方向に調整して、系統周波数を元の値に復帰させる。
【００６７】
次に、船内主母線３２に２台の軸発電機３１が接続され、何らかの理由で一方の軸発電機３１の負荷が増加し、他方の軸発電機３１の負荷が減少したとする。この場合、ドループ特性にしたがって一方の周波数の制御目標値は系統周波数より低く、他方の周波数の制御目標値は系統周波数より高くなる。これにより、一方の負荷は軽減され、他方の負荷は増加するので、その結果両方の軸発電機３１の負荷は等しくなり、系統周波数は元の値で安定して運転される。これは船内主母線３２に接続される軸発電機３１が３台以上の場合も同様である。
【００６８】
上記では、系統周波数の増減に対応する有効電力の増減について説明したが、系統電圧の増減に対応する無効電圧の増減についても同様である。「ドループ制御」は周知の技術であるので、これについての詳しい説明は省略する。ドループ制御の詳細は、非特許文献２等を参照されたい。
【００６９】
以上に説明したように、本実施形態の船舶１０Ｂは、軸発電機３１と船内主母線３２との間に設けられ、軸発電機３１の交流周波数を船内主母線３２の交流周波数へ変換するとともに、軸発電機３１の交流電圧を船内主母線３２の交流電圧へ変換する電力変換装置２５を更に備えている。
【００７０】
上記によれば、軸発電機３１は電力変換装置２５へ供給する交流周波数を船内主母線３２の交流周波数に制御する必要がなくなるので、主機２１を可変速運転することができる。図６は、主機２１を固定回転数運転した場合と可変速運転した場合の主機出力と推力の関係を示す図表である。固定回転数運転を行った場合、推力が0であっても、推進機２２の動作（例えば、プロペラの回転）に対して抵抗を受けるため、大きな損失が発生する。この図表から、主機２１を可変速運転すれば、可変速運転したときの推力から固定回転数運転したときの推力の差分に相当する損失を削減できることがわかる。
【００７１】
また、本実施形態に係る船舶１０Ｂは、交流端が船内主母線３２に接続された第１電力変換器２５ａ、交流端が軸発電機３１に接続された第２電力変換器２５ｂ、及び、第１電力変換器２５ａの直流端と第２電力変換器２５ｂの直流端を接続する直流路３７（直流中間部）とを有する電力変換装置２５と、船内主母線３２の周波数を検出する系統周波数検出器４６と、船内主母線３２の電圧を検出する系統電圧検出器４７（第１電圧検出器）と、直流路３７の電圧を検出する直流中間電圧検出器４８（第２電圧検出器）と、電力変換装置２５の出力を制御する発電制御装置４２とを備えている。発電制御装置４２は、系統周波数検出器４６及び系統電圧検出器４７の検出値に基づいて船内主母線３２の周波数が所定の周波数目標値となり且つ船内主母線３２の電圧が所定の電圧目標値となるように第１電力変換器２５ａの出力を制御し、直流中間電圧検出器４８の検出値に基づいて直流路３７の電圧が所定の直流中間電圧目標値となるように第２電力変換器２５ｂの出力を制御するように構成されている。
【００７２】
これにより、系統周波数及び系統電圧が所定の目標値となるように電力変換装置２５の出力が制御されるので、電力変換装置２５を自立運転させることができる。また、船内主母線３２の電源品質を確保できる。
【００７３】
更に、本実施形態に係る発電制御装置４２は、所定のドループ特性に基づいて、第１電力変換器２５ａの出力を制御するように構成されている。本実施形態で使用されるドループ特性は、軸発電機３１の発電電力（即ち、有効電力）の増加に対して軸発電機３１の発電電力の周波数が低下するという特徴を有するドループ特性と、軸発電機３１の無効電力の増加に対して軸発電機３１の出力電圧が低下するという特徴を有するドループ特性である。
【００７４】
これにより、電力変換装置２５の出力がドループ特性を持つので、電力変換装置２５は自立運転と系統連系運転の両方が可能であり、また自立運転と系統連系運転とをシームレスに切り替えることができる。よって、例えば図７に示すように、船内主母線３２に複数の軸発電機３１を接続して、これら複数の軸発電機３１を並列運転することが可能となる。
【００７５】
また、上記のように電力変換装置２５の出力がドループ特性を持つので、図７に示すように、船内主母線３２を陸上電源プラグ８０を介して陸上電源と接続することが可能である。船内主母線３２が陸上電源に接続されると、停電を伴わずに軸発電機３１から陸上電源へ電力源の切り替えができる。なお、発電制御装置４２は、船内主母線３２が陸上電源と接続されているときには、陸上電源と船内主母線３２とを同期させるように所定のドループ特性を調整するように構成されている。
【００７６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係る船舶１０Ｃの推進システム２及び電力系統３の概略構成を示すブロック図である。
【００７７】
図８に示すように、第３実施形態に係る船舶１０Ｃは、前述の第２実施形態に係る船舶１０Ｃが、電力貯蔵装置８２と、貯蔵電力変換装置８３と、貯蔵電力変換装置８３を制御する電力貯蔵制御装置８４とを更に備えたものである。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１及び第２実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００７８】
電力貯蔵装置８２は、電池やキャパシタなどであって、直流電力の取出しが可能なものをいう。電気の貯蔵を充電、取り出しを放電と称することもある。
【００７９】
また、貯蔵電力変換装置８３は、一方の直流端が電力変換装置２５の直流路３７に接続され、且つ、他方の直流端が電力貯蔵装置８２に接続されている。貯蔵電力変換装置８３は、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータであって、直流路３７からの直流電力を電力貯蔵装置８２に充電し、また、電力貯蔵装置８２に貯えられた直流電力を直流路３７に放電する。
【００８０】
電力系統３に電力貯蔵装置８２を備えることで、万が一、船内が停電した場合に、船内主母線３２へ電力貯蔵装置８２が放電した電力を供給することができる。よって、停電からの復旧を速やかに行うことができる。
【００８１】
電力貯蔵制御装置８４は、主機制御装置４１と信号をやり取りすることができる。電力貯蔵制御装置８４は、主機２１に作用する負荷に基づいて、電力貯蔵装置８２を放電又は充電させるように貯蔵電力変換装置８３を機能させることができる。図９と図１０は、主機２１と推進機２２の負荷の経時変化を示す図表である。図９及び図１０の図表において縦軸は主機２１又は推進機２２の負荷を表し横軸は時間を表している。
【００８２】
図９の図表は、推進機の負荷変動に関わらず主機２１の負荷を一定に保つことで、燃費を改善する制御の動作を示している。図９において、主機２１の負荷の目標値は一定であり、推進機２２の負荷は波浪などにより変動して時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は主機２１の負荷の目標値に対して低い。そこで、電力貯蔵制御装置８４は、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に、電力貯蔵装置８２を充電させるように貯蔵電力変換装置８３を機能させる。
【００８３】
また、図１０の図表は、主機２１の負荷変動追従性能を上回る変化率で推進機の負荷上昇を行わせることで、船舶の運動性能を向上する制御の動作を示している。図１０において、推進機２２の負荷は、プロペラ翼角の操作によって時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて漸次増加しているのに対し、主機２１の負荷の目標値は、主機２１の負荷変動追従性能にしたがって、時刻ｔ３から時刻ｔ５にかけて漸次増加させようとしている。時刻ｔ４は時刻ｔ５よりも先の時刻である。このケースでは、推進機２２の負荷の増加に対し、主機２１の負荷の増加が追い付かず、時刻ｔ３から時刻ｔ５の間は推進機２２の負荷に対し主機２１の負荷が低い。そこで、電力貯蔵制御装置８４は、時刻ｔ３から時刻ｔ５の間に、電力貯蔵装置８２を放電させるように貯蔵電力変換装置８３を機能させる。
【００８４】
上記の通り、電力貯蔵制御装置８４は、主機２１の負荷目標値を推進機２２の負荷より上回らせるときは電力貯蔵装置８２を充電させ、主機２１の負荷目標値を推進機２２の負荷より下回らせるときは電力貯蔵装置８２を放電させるように貯蔵電力変換装置８３を機能させる。なお、電力貯蔵制御装置８４は、推進機２２の翼角指令、主機２１の回転数、フューエルインデックスなどの主機制御装置４１から受けた情報の少なくとも１つに基づいて算出した主機２１の負荷、又は、主機２１の負荷を間接的に検出する検出器の検出値に基づいて算出した主機２１の負荷を制御に用いてよい。また、電力貯蔵制御装置８４は、検出した推進機２２の回転数に基づいて求めた推進機２２の負荷、又は、船舶１０Ｃを操縦する操作レバー（図示せず）の操作位置などに基づいて算出した推進機２２の負荷などを制御に用いてよい。
【００８５】
上記のように電力貯蔵装置８２が放電・充電を行う一方、第１電力変換器２５ａの出力は船内負荷電力と一致するため、充放電分の電力は第２電力変換器２５ｂを経由して軸発電機３１の発電電力の変動成分となり、すなわち主機２１の負荷変動を補償することができる。一般に、ガスエンジンはディーゼルエンジンと比較して負荷変動追従性能が低く、失火しやすい。そのため、タグボートのような主機の負荷が比較的大きく変動する船種には、ガスエンジン、特にガス専焼エンジンを主機として搭載するのは困難であった。これに対し、上記船舶１０Ｃでは、ディーゼルエンジンと比較して劣らない負荷変動追従性能をガスエンジンである主機２１に備えることができ、ガスエンジン、特にガス専焼エンジンを船舶の主機として搭載するための課題を軽減することができる。
【００８６】
（第３実施形態の変形例１）
次に、上記第３実施形態の変形例１を説明する。図１２は、第３実施形態の変形例１に係る船舶１０Ｃの推進システム２及び電力系統３の概略構成を示すブロック図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【００８７】
前述の第３実施形態に係る船舶１０Ｃでは、電力貯蔵装置８２が電力変換装置２５の直流路３７に接続されていたが、図１２に示すように、第３実施形態の変形例１に係る船舶１０Ｃでは、電力貯蔵装置８２は船内主母線３２に接続されている。より詳細には、変形例１に係る船舶１０Ｃは、電力変換装置２５と、交流端が船内主母線３２に接続され且つ直流端が電力変換装置２５に接続された貯蔵電力変換装置８３と、貯蔵電力変換装置８３を制御する電力貯蔵制御装置８４とを備えている。
【００８８】
貯蔵電力変換装置８３は、いわゆるインバータであって、船内主母線３２の交流電力を変換して電力貯蔵装置８２に充電し、また、電力貯蔵装置８２に貯えられた直流電力を船内主母線３２の交流電力へ変換して放電する。
【００８９】
また、電力貯蔵制御装置８４は、船内主母線３２の周波数（即ち、系統周波数）又は船内主母線３２の電圧（即ち、系統電圧）に基づいて、電力貯蔵装置８２を放電又は充電させるように貯蔵電力変換装置８３を制御してもよい。この場合、電力貯蔵制御装置８４は、系統周波数検出器４６及び系統電圧検出器４７と接続されており、これらの検出器からの出力が入力される。また、電力貯蔵制御装置８４は、貯蔵電力変換装置８３から出力された有効電力及び無効電力を検出する検出器（図示せず）と接続されており、これらの検出器からの出力が入力される。
【００９０】
図１１は、電力貯蔵制御装置８４の処理の流れを示すブロック図である。貯蔵電力変換装置８３は、スイッチング素子からなる電力変換回路（図示せず）とスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）発生器９９とから構成される。図１１では、電力貯蔵制御装置８４によるＰＷＭ発生器９９へ与えるＰＷＭ信号の生成の流れが示されている。
【００９１】
図１１に示すように、減算器９１で系統周波数目標値から系統周波数検出器４６で計測された系統周波数計測値が減算され、減算器９１の出力はハイパスフィルタを経て有効電力指令値算出部（ＰＩＤ）９２へ入力される。有効電力指令値算出部９２から出力された有効電力指令値を表す信号は、減算器９３へ入力される。減算器９３では、有効電力指令値から船内主母線３２と貯蔵電力変換装置８３との間に設置された電力検出器４９で検出された有効電力が減算される。減算器９３の出力はｑ軸電圧指令算出部（ＰＩＤ）９４へ入力される。ｑ軸電圧指令算出部９４から出力されたｑ軸電圧指令を表す信号はｄｑ逆変換器９０へ入力される。
【００９２】
一方、減算器９５で系統電圧目標値から系統電圧検出器４７で計測された系統電圧検出器計測値が減算され、減算器９５の出力はハイパスフィルタを経て無効電力指令値算出部（ＰＩＤ）９６へ入力される。無効電力指令値算出部９６から出力された無効電力指令値を表す信号は、減算器９７へ入力される。減算器９７では、無効電力指令値から船内主母線３２と貯蔵電力変換装置８３との間に設置された無効電力検出器５０で検出された無効電力が減算される。減算器９７の出力はｄ軸電圧指令算出部（ＰＩＤ）９８へ入力される。ｄ軸電圧指令算出部９８から出力されたｄ軸電圧指令を表す信号はｄｑ逆変換器９０へ入力される。
【００９３】
ｄｑ逆変換器９０へ入力されたｑ軸電圧指令を表す信号とｄ軸電圧指令を表す信号は、ＰＷＭ発生器９９へ出力される。ＰＷＭ発生器９９では、これらの信号と対応するＰＷＭ信号を発生する。このＰＷＭ信号が発生する結果、貯蔵電力変換装置８３は、系統周波数又は系統電圧が目標値を上回るときには電力貯蔵装置８２を充電させ、系統周波数又は系統電圧が目標値を下回るときには電力貯蔵装置８２を放電させるように機能する。
【００９４】
上記のように電力貯蔵装置８２が放電・充電を行うことにより、主機２１の負荷変動を誘発せずに、系統周波数又は系統電圧の変動を抑制することができる。
【００９５】
あるいは、電力貯蔵装置８２の放電・充電は、特に、電力貯蔵制御装置８４が貯蔵電力変換装置８３をドループ制御することで行ってもよい。
【００９６】
電力貯蔵制御装置８４による貯蔵電力変換装置８３のドループ制御の手法は、前述の第２実施形態における、発電制御装置４２による電力変換装置２５の第１電力変換器２５ａのドループ制御の手法と同様である。このドループ制御では、電力貯蔵装置８２の放電電力（有効電力）の増加又は充電電力（有効電力）の減少に対して電力貯蔵装置８２の出力周波数が低下するドループ特性と、電力貯蔵装置８２の放電電力（無効電力）の増加又は充電電力（無効電力）の減少に対して電力貯蔵装置８２の出力電圧が低下するドループ特性とを用いて、系統周波数目標値と系統電圧目標値が定められる。
【００９７】
上記の通り、第３実施形態の変形例１に係る船舶１０Ｃでは、貯蔵電力変換装置８３についても、電力変換装置２５の第１電力変換器２５ａと同様のドループ制御が行われることによって、船内負荷３５の電力需要を軸発電機３１で発電した電力と電力貯蔵装置８２が放電した電力とに分担させることができる。分担の比率は、制御に使用されるドループ特性の設定を変化させることにより、調整することができる。
【００９８】
また、仮に主機２１の異常により軸発電機３１の発電電力が低下又は喪失した場合には、電力貯蔵装置８２から船内主母線３２への放電電力が自動的に大きくなり、主機２１の異常が解消すれば自動的に元の状態へ戻る。これにより、停電することなく船内電力への給電を維持することができる。更に、貯蔵電力変換装置８３は他の機器と情報の遣り取りをする必要がないため、信頼性の高いシステムを構築できる。
【００９９】
以上に本発明の好適な実施の形態（及び変形例）を説明した。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。したがって、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／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【符号の説明】
【０１００】
２        ：推進システム
３        ：船内電力系統
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ      ：船舶
２１      ：主機
２２      ：推進機
２３      ：推進軸
２５      ：電力変換装置
２５ａ    ：第１電力変換器
２５ｂ    ：第２電力変換器
２６      ：クラッチ
２７      ：減速装置
３１      ：軸発電機
３２      ：船内主母線
３５      ：船内負荷
３７      ：直流路
４１      ：主機制御装置
４２      ：発電制御装置
４６      ：系統周波数検出器
４７      ：系統電圧検出器
４８      ：直流中間電圧検出器
４９      ：電力検出器
５０      ：無効電力検出器
８０      ：陸上電源プラグ
８２      ：電力貯蔵装置
８３      ：貯蔵電力変換装置
８４      ：電力貯蔵制御装置
９０      ：ｄｑ逆変換器
９１，９３，９５，９７      ：減算器
９２      ：有効電力指令値算出部
９４      ：ｄ軸電圧指令値算出部
９６      ：無効電力指令値算出部
９８      ：ｑ軸電圧指令値算出部
９９      ：ＰＷＭ発生器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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