(57)【要約】【課題】実用化可能であって、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用可能なハイブリッド船舶の制御方法を提供する。【解決手段】ハイブリッド船舶１０の制御方法は、主機１１、主発電機１２および電動発電機１３を備えたハイブリッド船舶１０の制御方法であって、前記主機１１の負荷率が最高効率になる所定の負荷率となるように前記電動発電機１３を発電動作または電動動作をさせ、運転している前記主発電機１２の合計発電電力が、運転している前記主発電機１２の合計定格出力未満になる最低必要台数の前記主発電機１２を運転する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力伝達機構を介してプロペラを回転駆動することにより推力を供給する主機と、
船内母線に電力を供給する複数の主発電機と、
前記主発電機から前記船内母線を介して電力を受けて前記プロペラを前記動力伝達機構を介して回転駆動することにより推力を供給する電動動作、および、前記主機から前記動力伝達機構を介して回転動力を受けて発電した電力を前記船内母線に供給する発電動作を行う電動発電機と、を備えたハイブリッド船舶の制御方法であって、
前記主機の負荷率が最高効率になる所定の負荷率となるように前記電動発電機を発電動作または電動動作をさせ、
前記主発電機の合計発電電力が、発電している前記主発電機の合計定格出力未満になる最低必要台数の前記主発電機を発電させる、ハイブリッド船舶の制御方法。
【請求項２】
前記主発電機の合計発電電力が所定の値以上になるように前記電動発電機を運転させる、請求項１に記載のハイブリッド船舶の制御方法。
【請求項３】
前記主発電機の合計定格出力から前記主発電機の合計発電電力を引いた利用可能電力を算出し、
負の値で表される前記電動発電機の電動電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力を前記電動電力の下限値（最大の電動電力）として前記電動発電機を電動動作させて、正の値で表される前記電動発電機の発電電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力が正の場合には、前記許容電力を前記発電電力の下限値（最小の発電電力）として前記電動発電機を発電動作させる、請求項１または２に記載のハイブリッド船舶の制御方法。
【請求項４】
前記船内母線、または、前記船内母線と前記電動発電機との間の電力線に接続された電力貯蔵装置を、前記主発電機の起動中に放電させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッド船舶の制御方法。
【請求項５】
動力伝達機構を介してプロペラを回転駆動することにより推力を供給する主機と、
船内母線に電力を供給する複数の主発電機と、
前記主発電機から前記船内母線を介して電力を受けて前記プロペラを前記動力伝達機構を介して回転駆動することにより推力を供給する電動動作、および、前記主機から前記動力伝達機構を介して回転動力を受けて発電した電力を前記船内母線に供給する発電動作を行う電動発電機と、を備えたハイブリッド船舶の制御システムであって、
前記主機を回転数制御し、かつ、前記主機の負荷率を取得する主機制御装置と、
前記主機の負荷率が最高効率になる所定の負荷率となるように前記電動発電機を発電動作または電動動作をさせる電動発電機制御装置と、
前記主発電機の合計発電電力が、発電している前記主発電機の合計定格出力未満になる最低必要台数の前記主発電機を発電させる電力管理装置と、を備えている、ハイブリッド船舶の制御システム。
【請求項６】
前記電動発電機制御装置は、前記主発電機の合計発電電力が所定の値以上になるように前記電動発電機を運転させる、請求項５に記載のハイブリッド船舶の制御システム。
【請求項７】
前記電力管理装置は、前記主発電機の合計定格出力から前記主発電機の合計発電電力を引いた利用可能電力を算出し、
前記電動発電機制御装置は、負の値で表される前記電動発電機の電動電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力を前記電動電力の下限値（最大の電動電力）として前記電動発電機を電動動作させて、正の値で表される前記電動発電機の発電電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力が正の場合には、前記許容電力を前記発電電力の下限値（最小の発電電力）として前記電動発電機を発電動作させる、請求項５または６に記載のハイブリッド船舶の制御システム。
【請求項８】
前記船内母線、または、前記船内母線と前記電動発電機との間の電力線に接続された電力貯蔵装置をさらに備え、
前記電力管理装置は、前記主発電機の起動中に前記電力貯蔵装置を放電させる、請求項５〜７のいずれか一項に記載のハイブリッド船舶の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主機、主発電機および電動発電機を備えたハイブリッド推進システムを搭載した船舶（ハイブリッド船舶）の制御方法および制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のハイブリッド船舶に搭載されるハイブリッド推進システムとして、たとえば、主機、主発電機および電動発電機を備えた非特許文献１のシステムが知られている。
【０００３】
また、ハイブリッドシステムにおいて燃費を最小化する方法として、非特許文献２の方法が知られている。この方法では、非線形最適化演算を用いて燃費を最小化するように主機および主発電機の発電量を求めている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Bueschen R, “WGA 23. Ein modernes Wellengeneratorsystem von Siemens”, HANSA Vol. 120 No. 13 PP. 1203-1207, 1983
【非特許文献２】Bas Kwasieckyj,“Hybrid propulsion systems - Efficiency analysis and design methodology of hybrid propulsion systems”Master thesis, Delft University of Technology, 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献２に示すようなハイブリッド推進システムの燃費最小化方法では、実用化について未だ改善の余地があった。また、機械推進船をハイブリッド船舶に改造する場合があり、このように改造したハイブリッド船舶にも容易に適用できる制御方法が望まれている。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、実用化可能であって、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用可能なハイブリッド船舶の制御方法および制御システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様に係るハイブリッド船舶の制御方法は、動力伝達機構を介してプロペラを回転駆動することにより推力を供給する主機と、船内母線に電力を供給する複数の主発電機と、前記主発電機から前記船内母線を介して電力を受けて前記プロペラを前記動力伝達機構を介して回転駆動することにより推力を供給する電動動作、および、前記主機から前記動力伝達機構を介して回転動力を受けて発電した電力を前記船内母線に供給する発電動作を行う電動発電機と、を備えたハイブリッド船舶の制御方法であって、前記主機の負荷率が最高効率になる所定の負荷率となるように前記電動発電機を発電動作または電動動作をさせ、前記主発電機の合計発電電力が、発電している前記主発電機の合計定格出力未満になる最低必要台数の前記主発電機を発電させる。この制御方法によれば、主機を最高効率で動作させながら、最低必要台数の主発電機を発電させるので、ハイブリッド船舶の燃費を容易に最小化することができる。また、主発電機を、電動発電機の制御と関連付けて制御する必要がないので、機械推進船を改造したハイブリッド船舶において、機械推進船の電力管理装置を活用することができる。その結果、この制御方法は、実用化可能であり、且つ、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用可能である。
【０００８】
このハイブリッド船舶の制御方法では、前記主発電機の合計発電電力が所定の値以上になるように前記電動発電機を運転させてもよい。これにより、主発電機の合計発電電力が所定の値未満にならないため、主発電機が逆電流によりトリップすることを防止することができる。
【０００９】
また、ハイブリッド船舶の制御方法では、前記主発電機の合計定格出力から前記主発電機の合計発電電力を引いた利用可能電力を算出し、負の値で表される前記電動発電機の電動電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力を前記電動電力の下限値（最大の電動電力）として前記電動発電機を電動動作させて、正の値で表される前記電動発電機の発電電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力が正の場合には、前記許容電力を前記発電電力の下限値（最小の発電電力）として前記電動発電機を発電動作させてもよい。これにより、電力不足が回避されるため、船内負荷の遮断回数を削減することができる。
【００１０】
さらに、ハイブリッド船舶の制御方法では、前記船内母線、または、前記船内母線と前記電動発電機との間の電力線に接続された電力貯蔵装置を、前記主発電機の起動中に放電させてもよい。これにより、主発電機の起動中に電力貯蔵装置から放電して、電動発電機や船内負荷の要求に速やかに対応することができる。
【００１１】
本発明のある態様に係るハイブリッド船舶の制御システムは、動力伝達機構を介してプロペラを回転駆動することにより推力を供給する主機と、船内母線に電力を供給する複数の主発電機と、前記主発電機から前記船内母線を介して電力を受けて前記プロペラを前記動力伝達機構を介して回転駆動することにより推力を供給する電動動作、および、前記主機から前記動力伝達機構を介して回転動力を受けて発電した電力を前記船内母線に供給する発電動作を行う電動発電機と、を備えたハイブリッド船舶の制御システムであって、前記主機を回転数制御し、かつ、前記主機の負荷率を取得する主機制御装置と、前記主機の負荷率が最高効率になる所定の負荷率となるように前記電動発電機を発電動作または電動動作をさせる電動発電機制御装置と、前記主発電機の合計発電電力が、発電している前記主発電機の合計定格出力未満になる最低必要台数の前記主発電機を発電させる電力管理装置と、を備えている。この制御システムによれば、ハイブリッド船舶の燃費を容易に最小化することができる。また、機械推進船を改造したハイブリッド船舶も容易に制御することができる。その結果、この制御システムは、実用化可能であり、且つ、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用可能である。
【００１２】
このハイブリッド船舶の制御システムでは、前記電動発電機制御装置は、前記主発電機の合計発電電力が所定の値以上になるように前記電動発電機を運転させてもよい。これにより、主発電機の合計発電電力が所定の値未満にならないため、主発電機が逆電流によりトリップすることを防止することができる。
【００１３】
また、ハイブリッド船舶の制御システムでは、前記電力管理装置は、前記主発電機の合計定格出力から前記主発電機の合計発電電力を引いた利用可能電力を算出し、前記電動発電機制御装置は、負の値で表される前記電動発電機の電動電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力を前記電動電力の下限値（最大の電動電力）として前記電動発電機を電動動作させて、正の値で表される前記電動発電機の発電電力の実際値から前記利用可能電力を引いた許容電力が正の場合には、前記許容電力を前記発電電力の下限値（最小の発電電力）として前記電動発電機を発電動作させてもよい。これにより、電力不足が回避されるため、船内負荷の遮断回数を削減することができる。
【００１４】
さらに、ハイブリッド船舶の制御システムは、前記船内母線、または、前記船内母線と前記電動発電機との間の電力線に接続された電力貯蔵装置をさらに備え、前記電力管理装置は、前記主発電機の起動中に前記電力貯蔵装置を放電させてもよい。これにより、主発電機の起動中に電力貯蔵装置から放電して、電動発電機や船内負荷の要求に速やかに対応することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、以上に説明した構成を有し、実用化可能であって、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用可能なハイブリッド船舶の制御方法および制御システムを提供することができるという効果を奏する。
【００１６】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１に係るハイブリッド船舶の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１のハイブリッド船舶の制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図３】図２の制御システムにおける定格出力演算部の構成例を示すブロック図である。
【図４】主機の負荷率と主機の効率との関係を表したグラフである
【図５】主発電機の台数を制御する一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２に係るハイブリッド船舶の制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るハイブリッド船舶の構成例を示すブロック図である。
【図８】図７のハイブリッド船舶の制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図９】図９（ａ）は、電動発電機が電動動作している際の許容電力を表した図である。図９（ｂ）は、電動発電機が発電動作している際の許容電力を表した図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係るハイブリッド船舶の構成例を示すブロック図である。
【図１１】図１０のハイブリッド船舶の制御システムの構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（本発明に至る経緯）
本発明者らは、ハイブリッド船舶に関して、実用化でき、かつ、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用できるハイブリッド船舶の制御方法および制御システムについて検討した。具体的には、上記非特許文献２のハイブリッド船舶の制御方法は、多大な計算量を要するため、リアルタイムに燃費を計算することは困難であり、実用性に乏しかった。また、機械推進船を改造したハイブリッド船舶では、機械推進船の電力管理装置を活用することが望まれている。
【００１９】
これに対して、本発明者等は、一般に主機は主発電機よりも容量が大きく、また、単位出力当たりの主機の燃料コストは主発電機より安価であることに着目した。主機が主発電機よりも容量が大きいことは、主機を効率良く運転するとハイブリッド船舶の燃費を大きく低減することができることを意味する。また、単位出力当たりの主機の燃料コストが主発電機より安価であることは、主機に機械的に接続された電動発電機を主発電機より優先して運転すると、そうでない場合に比べてハイブリッド船舶の燃費を低減することができることを意味する。
【００２０】
そこで、本発明者等は、主機の負荷率が最高効率になる所定の負荷率となるように電動発電機を発電動作または電動動作させることを想到した。この方法によれば、上述の理由により、ハイブリッド船舶の燃費を実質的に最小化することができる。しかも、最適化方法を必要としないので、多大な計算量を必要としない。従って、ハイブリッド船舶の燃費を簡易に最小化することができる。また、リアルタイムに燃費最小化制御をすることができる。さらに、この方法では、主発電機を、上述の電動発電機の制御と関連付けて制御する必要はないので、機械推進船を改造したハイブリッド船舶において、機械推進船の電力管理装置をそのまま使用することができる。本発明はこのような経緯によりなされたものである。
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るハイブリッド船舶１０の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、ハイブリッド船舶１０は、主機１１、主発電機１２および電動発電機１３により構成されたハイブリッド推進システムを搭載している。また、ハイブリッド船舶１０は、プロペラ１４、船内母線１５、船内負荷１６および制御システム１７を備えている。
【００２３】
主機１１は、ハイブリッド船舶１０における主要動力源であり、たとえば、減速装置１８を介してプロペラ１４および電動発電機１３に連結されている。減速装置１８は、動力伝達機構であって、主機１１からの動力をプロペラ１４や電動発電機１３に伝達している。
【００２４】
主発電機１２は、電動発電機１３や船舶の船内負荷１６に電力を供給する主な電力源であって、複数（この実施の形態では、ｍ台（ｍは２以上の自然数））設けられている。この第１〜第ｍ主発電機１２は、船内母線１５にそれぞれ接続されている。船内母線１５に船内負荷１６および電動発電機１３が接続されている。船内負荷１６は、電力を消費する機器であって、複数（この実施の形態では、ｎ台（ｎは２以上の自然数））設けられている。この第１〜第ｎ船内負荷１６は、船内母線１５にそれぞれ接続されている。
【００２５】
電動発電機１３は、電動機能および発電機能を有し、減速装置１８を介してプロペラ１４および主機１１に連結されている。また、電動発電機１３は、船内母線１５および電力変換装置１９を介して主発電機１２および船内負荷１６に接続されている。
【００２６】
双方向の電力変換装置１９は、第１電力変換部１９ａおよび第２電力変換部１９ｂを有している。電力変換装置１９は、船内母線１５の交流の周波数および電圧と電動発電機１３の交流の周波数および電圧とを相互に変換している。
【００２７】
制御システム１７は、各種機器の制御装置２０〜２３および電力管理装置２４を備えている。主機制御装置２０は、主機１１を回転数制御する装置であって、主機１１および電動発電機制御装置２１に信号線により接続されている。電動発電機制御装置２１は、電動発電機１３を制御する装置であって、主機制御装置２０、ならびに、電力変換装置１９の第１電力変換部１９ａおよび第２電力変換部１９ｂに信号線により接続されている。主発電機制御装置２２は、主発電機１２を制御する装置であって、ｍ台設けられている。第１〜第ｍ主発電機制御装置２２は、第１〜第ｍ主発電機１２に信号線によりそれぞれ接続されると共に、電力管理装置２４にも信号線により接続されている。船内負荷制御装置２３は、船内負荷１６を制御する装置であって、ｎ台設けられている。第１〜第ｎ船内負荷制御装置２３は、第１〜第ｎ船内負荷１６に信号線によりそれぞれ接続されると共に、電力管理装置２４にも信号線により接続されている。
【００２８】
電力管理装置２４は、主発電機１２、電動発電機１３および船内負荷１６の電力を管理する装置であって、主発電機制御装置２２および船内負荷制御装置２３に加えて、主発電機電力計２５と信号線により接続されている。主発電機電力計２５は、主発電機１２の発電電力を計測するセンサであって、ｍ台設けられている。この第１〜第ｍ主発電機電力計２５は、第１〜第ｍ主発電機１２のそれぞれと船内母線１５とを繋ぐ電力線に設けられている。
【００２９】
なお、各制御装置２０〜２３および電力管理装置２４は、１つの制御装置で構成されていてもよいし、個別の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２０〜２３および電力管理装置２４が１つの制御装置で構成される場合、各制御装置２０〜２３および電力管理装置２４の機能は制御装置に格納されたプログラムによって実現される。
【００３０】
次に、図２および図３を参照して、ハイブリッド船舶１０の制御システム１７の構成について説明する。図２は、制御システム１７の構成例を示すブロック図である。図３は、定格出力演算部３０の構成例を示すブロック図である。なお、制御装置の各構成部は、それぞれ内蔵されるプログラムが演算装置により実行されることにより実現される機能である。
【００３１】
図２に示すように、主機制御装置２０は、回転数制御部２７および燃料演算部２８を有している。回転数制御部２７は、たとえばＰＩＤ制御器であり、回転数検出器１１ａによって検出される実際の回転数が回転数目標値に近づくように所定の負荷を求め、この負荷について負荷率を算出する。燃料演算部２８は、負荷率に応じた所定の燃料を求める。また、電動発電機制御装置２１は、ＰＩＤ制御部２９を有している。ＰＩＤ制御部２９は、回転数制御部２７からの負荷率が負荷率目標値に近づくように電動発電機１３（図１）の要求電力を求める。ここで、負荷率は、主機１１の定格負荷に対する、運転している主機１１の実際の負荷の割合である。
【００３２】
電力管理装置２４は、定格出力演算部３０および台数制御部３１を有している。図３に示すように、定格出力演算部３０は、第１〜第ｍ主発電機１２の定格出力（第１〜第ｍ主発電機定格出力）を記憶している。定格出力演算部３０は、第１〜第ｍ各主発電機制御装置２２の状態に応じて、運転中の主発電機１２の定格出力を求めて、これを合計した出力（合計定格出力）を算出している。図２に示す台数制御部３１は、主発電機１２の合計発電電力が発電中の主発電機１２の合計定格出力未満になるように主発電機１２の必要な最低台数を求める。
【００３３】
次に、図２〜図５を参照して、ハイブリッド船舶１０の制御方法について説明する。図４は、主機１１の負荷率と主機１１の効率との関係を表したグラフである。図５は、主発電機１２の台数を制御する一例を示すフローチャートである。
【００３４】
まず、図２に示すように、乗組員によるレバー操作やハイブリッド船舶１０の運転モードなどに応じた所定の回転数目標値が主機制御装置２０に入力される。主機制御装置２０の回転数制御部２７は、入力された回転数目標値に対する、運転されている主機１１の実際の回転数の偏差を算出する。そして、この回転数の偏差から主機１１の負荷を求める。この主機１１の負荷を所定の主機１１の定格負荷で割って主機１１の負荷率を算出し、負荷率を燃料演算部２８および電動発電機制御装置２１に出力する。ここで、回転数目標値が同じであっても、回転数制御の結果により出力される負荷率は、プロペラ１４と電動発電機１３から入力される機械的負荷に応じて変動する。
【００３５】
燃料演算部２８は、主機１１で計算された負荷率に応じた所定の燃料の量を求め、これを燃料供給指令値として燃料供給部３２に出力する。燃料供給部３２は、燃料供給指令値に従って主機１１に燃料を供給する。すると、主機１１は供給された燃料に応じた回転駆動力を出力する。この主機１１の回転駆動における実際の回転数が回転数検出器１１ａにより計測されて主機制御装置２０へ出力される。これにより、主機１１の回転数は回転目標値になるようにフィードバック制御される。ここで、燃料演算部２８および燃料供給部３２が適切に調整されていれば、主機１１の実際の負荷率は回転数制御部２７で計算された負荷率にほぼ一致する。
【００３６】
電動発電機制御装置２１は、負荷率目標値から回転数制御部２７で計算された主機１１の負荷率を引いた差を求める。この負荷率目標値は、図４に示すように、主機１１の効率が最高になるときの主機１１の負荷率である。負荷率目標値は、主機１１ごとに予め求められているが、一般的には、たとえば、７０〜９０％の範囲内の値を取る。
【００３７】
図２の電動発電機制御装置２１のＰＩＤ制御部２９は、負荷率の差を比例処理、積分処理および微分処理することによって電力指令値を生成し電力変換装置１９に出力する。これにより、電動発電機１３（図１）は、主機１１の効率が最高になるように発電動作または電動動作を行う。
【００３８】
つまり、負荷率の差が正であれば、主機１１の実際の負荷率が負荷率目標値より小さい。このため、電動発電機１３は、主機１１から減速装置１８を介して入力された回転動力を電力に変換し、電力（発電電力）を電力変換装置１９および船内母線１５を介して船内負荷１６に出力する。そうすると、主機１１の負荷が増大することにより、回転数が一時的に低下するので、回転数制御部２７は回転数を維持するために、より大きな負荷率、すなわち負荷率目標値により近い負荷率を出力する。
【００３９】
一方、負荷率の差が負であれば、主機１１の実際の負荷率が負荷率目標値より大きい。このため、電動発電機１３は、主発電機１２から電力変換装置１９を介して入力された電力（電動電力）を回転動力に変換し、回転動力を減速装置１８を介してプロペラ１４に伝達する。そうすると、主機１１の負荷が減少することにより、回転数が一時的に上昇するので、回転数制御部２７は回転数を維持するために、より小さな負荷率、すなわち負荷率目標値により近い負荷率を出力する。このようにして、主機１１の負荷率が負荷率目標値になるように、電動発電機１３の動作を介してフィードバック制御される。
【００４０】
一方、このように動作している電動発電機１３の電力（発電電力または電動電力）に応じて、第１〜第ｍ主発電機１２がドループ制御により負荷分担される。ドループ制御は周知であるので、その説明を省略する。
【００４１】
すなわち、電動発電機１３が発電動作している場合には、電動発電機１３の発電電力および第１〜第ｍ主発電機１２の合計発電電力の合計電力が船内負荷１６の合計消費電力を賄うように、第１〜第ｍ主発電機１２は互いに負荷分担して発電動作する。一方、電動発電機１３が電動動作している場合には、第１〜第ｍ主発電機１２の合計発電電力が船内負荷１６の合計消費電力および電動発電機１３の電動電力の合計電力を賄うように、第１〜第ｍ主発電機１２は互いに負荷分担して発電動作する。
【００４２】
換言すると、主機１１の負荷率を負荷率目標値にするフィードバック制御が、電動発電機１３の動作を介して、第１〜第ｍ主発電機１２の発電動作に自動的に反映される。従って、第１〜第ｍ主発電機１２を、電動発電機１３の制御と関連付けて制御する必要はない。なお、電力変換装置１９は第１〜第ｍ主発電機１２と同様のドループ特性を持たせてもよいし、船内母線１５の周波数と電圧にしたがって電力制御してもよい。電力変換装置１９にドループ特性を持たせる場合でも、第１〜第ｍ主発電機１２を、電動発電機１３の制御と関連付けて制御する必要はない。
【００４３】
また、電力管理装置２４の定格出力演算部３０は、図３に示すように、第１〜第ｍ主発電機制御装置２２から状態情報を得る。たとえば、第１主発電機制御装置２２の状態情報により第１主発電機１２が運転状態であれば、第１主発電機定格出力が出力される。一方、第ｍ主発電機制御装置２２の状態情報により第ｍ主発電機１２が停止状態であれば、０が出力される。これにより、定格出力演算部３０は、運転している主発電機１２の定格出力を得て、これらを合計した合計定格出力を算出する。
【００４４】
そして、図２の電力管理装置２４は、定格出力演算部３０からの合計定格出力から合計発電電力を差し引いて、この差を利用可能電力として求めて台数制御部３１に出力する。台数制御部３１は、利用可能電力と所定の閾値とを比較して、利用可能電力が合計定格出力未満になる主発電機１２の最低必要台数を求める。この最低必要台数は、主発電機１２に求められる発電電力を賄うために必要な台数のうち最小の台数である。主発電機１２の最低必要台数は、１台とは限らず、ハイブリッド船舶１０に要求される冗長度などの条件に応じて複数台のときもあり得る。
【００４５】
具体的には、図５に示すように、利用可能電力と閾値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３とに基づいて運転する主発電機１２の必要最低台数が求められる。閾値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、所定値であり、この順で大きくなるように定められている。また、閾値Ｐ３は１台の主発電機１２の定格出力より大きな値である。たとえば、高い冗長度が求められる場合には、２台以上の主発電機１２の定格出力より大きい値に閾値Ｐ３が設定されていてもよい。
【００４６】
まず、利用可能電力が閾値Ｐ１未満であれば(ステップＳ１：ＹＥＳ)、運転中の船内負荷１６のうち重要度の低い一部の船内負荷１６を遮断する(ステップＳ２)。一方、利用可能電力が閾値Ｐ１以上閾値Ｐ２未満であれば(ステップＳ１：ＮＯ、Ｓ３：ＹＥＳ)、停止中の主発電機１２のうちの１台を起動する(ステップＳ４)。また、利用可能電力が閾値Ｐ２以上閾値Ｐ３未満であれば(ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ５：ＹＥＳ)、主発電機１２の運転台数を維持する。さらに、利用可能電力が閾値Ｐ３以上であれば(ステップＳ５：ＮＯ)、運転中の主発電機１２のうちの１台を停止する(ステップＳ６)。
【００４７】
たとえば、通常、利用可能電力が閾値Ｐ２以上閾値Ｐ３未満になるように(ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ５：ＹＥＳ)、主発電機１２の運転台数が設定されている。ここで、船内負荷１６の消費電力や電動発電機１３の電動電力が増えて、利用可能電力が閾値Ｐ１以上閾値Ｐ２未満に小さくなると(ステップＳ１：ＮＯ、Ｓ３：ＹＥＳ)、停止中の主発電機１２のうちの１台を起動する(ステップＳ４)。これにより、最低必要な台数の主機１１を運転させて、船内負荷１６に電力を供給し続けることができる。
【００４８】
さらに、利用可能電力が急激に閾値Ｐ１未満に減少したり、主発電機１２を起動している間に利用可能電力が閾値Ｐ１未満に減少したりすると(ステップＳ１：ＹＥＳ)、運転中の船内負荷１６のうち重要度の低い一部の船内負荷１６を遮断する(ステップＳ２)。これにより、重要度の低い船内負荷１６から遮断して、サイドスラスタなど重要な船内負荷１６の運転を維持することができる。
【００４９】
一方、船内負荷１６の消費電力が減少したり、電動発電機１３の発電電力が大きくなったりして、利用可能電力が閾値Ｐ３以上になると、必要以上の電力が生成されているため、運転中の主発電機１２のうちの１台を停止する(ステップＳ７)。これにより、必要な電力を確保しつつ、必要以上に発電している主発電機１２を停止することにより燃費を抑えることができる。
【００５０】
このように主発電機１２の台数が決まると、電力管理装置２４は台数に応じた起動または停止指令を第１〜第ｍ主発電機制御装置２２に出力し、これに基づいて主発電機１２が運転する。また、船内負荷１６の遮断と判定されると、電力管理装置２４は重要度や電力負荷に基づいて遮断する船内負荷１６を判定する。そして、その船内負荷制御装置２３に遮断指令を出力し、これに基づいて船内負荷１６が運転を停止する。
【００５１】
上記構成によれば、主機１１の負荷率が最高効率になる所定の負荷率目標値となるように、電動発電機１３を発電動作または電動動作させている。このように主発電機１２よりも容量が大きい主機１１を効率良く運転することにより、ハイブリッド船舶１０の燃費を大きく低減することができる。また、主機１１に機械的に接続された電動発電機１３を主発電機１２より優先して運転させている。この主機１１の単位出力当たりの燃料コストが主発電機１２より安価であるため、ハイブリッド船舶１０の燃費を低減することができる。この結果、ハイブリッド船舶１０の燃費を実質的に最小化することができる。
【００５２】
また、主機１１の負荷率が負荷率目標となるように電動発電機１３を動作させ、電動発電機１３を主発電機１２より優先して運転させている。この方法では、従来技術のように全ての機器の出力を一括して最適化演算を行う必要がなく、多大な計算量を必要としないため、ハイブリッド船舶１０の燃費を簡易かつリアルタイムに最小化することができる。
【００５３】
さらに、主発電機１２を、電動発電機１３の動作と関連付けて制御する必要はないので、機械推進船を改造したハイブリッド船舶１０において、機械推進船の電力管理装置２４をそのまま使用することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
実施の形態２に係るハイブリッド船舶１０の制御システム１７は、図６に示すように、上限リミッタ３３をさらに備えている。この点が実施の形態１のハイブリッド船舶１０の制御システム１７と異なるが、それ以外は同様である。図６は、実施の形態２に係るハイブリッド船舶１０の制御システム１７の構成例を示すブロック図である。
【００５５】
上限リミッタ３３は、電動発電機制御装置２１に設けられており、ＰＩＤ制御部２９および電力変換装置１９にそれぞれ接続されている。上限リミッタ３３は、電動発電機１３の要求電力の上限を設けることにより、電動発電機１３の最大発電電力を制限している。
【００５６】
具体的には、上限リミッタ３３は、ＰＩＤ制御部２９からの電動発電機１３の要求電力と、電力管理装置２４からの合計発電電力とを加算し、これに所定の主発電機最小電力を減算して要求電力上限値を算出する。ここで、主発電機最小電力は、主発電機１２が逆電力でトリップしないことが保証される値に設定する。
【００５７】
要求電力が要求電力上限値未満であれば、電動発電機制御装置２１は、要求電力を電力変換装置１９に出力する。一方、要求電力が要求電力上限値以上であれば、電動発電機制御装置２１は、要求電力を要求電力上限値に設定して電力変換装置１９に出力する。これにより、電動発電機１３は、発電電力が主発電機１２の合計発電電力が所定の値以上になるように発電動作を行う。なお、電動発電機１３の電動動作時には、要求電力が負になり、合計発電電力は電動発電機１３を駆動するための電力と船内負荷１６を加えた正の値となるから、要求電力は上限リミッタ３３により制限されない。
【００５８】
上記構成によれば、電動発電機１３の発電電力が、主発電機１２の合計発電電力が所定の主発電機最小電力以上となるように制限される。このように発電電力を制限することにより、主機１１の効率は最高効率からずれて、ハイブリッド船舶１０の効率がわずかに低下することもある。しかしながら、主発電機１２の逆電力によるトリップが防止され、ハイブリッド船舶１０の電力を安定的に管理することができる。
【００５９】
また、実施の形態１と同様に、より少ない計算量でハイブリッド船舶１０における燃費を最小化することができる。さらに、機械推進船を改造したハイブリッド船舶１０に対しても制御システム１７を容易に適用することができる。
【００６０】
（実施の形態３）
実施の形態３に係るハイブリッド船舶１０の制御システム１７は、図７に示すように、電動発電機電力計２６および下限リミッタ３４をさらに備えている。この点が実施の形態１のハイブリッド船舶１０の制御システム１７と異なるが、それ以外は同様である。図７は、実施の形態３に係るハイブリッド船舶１０の構成例を示すブロック図である。図８は、ハイブリッド船舶１０の制御システム１７の構成例を示すブロック図である。
【００６１】
電動発電機電力計２６は、電動発電機１３の発電電力または電動電力を計測するセンサであって、電動発電機１３と船内母線１５とを繋ぐ電力線に設けられている。電動発電機電力計２６は、電動発電機制御装置２１と信号線により接続されており、実際の電動発電機１３の電力を電動発電機制御装置２１に出力する。
【００６２】
下限リミッタ３４は、電動発電機制御装置２１に設けられており、ＰＩＤ制御部２９および電力変換装置１９にそれぞれ接続されている。下限リミッタ３４は、電動発電機１３の要求電力の下限を設けることにより、電動発電機１３の電力が電動発電機１３の最大消費可能な電動電力および最低必要な発電電力の範囲内になるように制御している。
【００６３】
具体的には、図８に示すように、下限リミッタ３４は、ＰＩＤ制御部２９からの電動発電機１３の要求電力と、許容電力とを比較する。この許容電力は、電動発電機電力計２６の電動発電機１３の電力から電力管理装置２４の利用可能電力を引いて求められる。ここでは、発電電力を正の値とし、電動電力を負の値として、電動発電機１３の電力が電動発電機制御装置２１に出力される。また、電動発電機１３の要求電力が下限リミッタ３４に出力される。
【００６４】
図９（ａ）に示すように、電動発電機１３が電動動作している場合には、電動発電機１３の実際の電動電力（実際値）に利用可能電力を引いた値（許容電力）が負になる。この場合、許容電力を電動電力（負の値）の下限値（最大の電動電力）として電動発電機１３を電動動作させる。つまり、電動電力の要求電力（負の値）が許容電力以上であれば、下限リミッタ３４は要求電力を電力変換装置１９に出力する。一方、電動電力の要求電力が許容電力より小さければ、下限リミッタ３４は許容電力またはそれより大きい電力に要求電力を設定して電力変換装置１９に出力する。これにより、電動電力が許容電力以上になり、電動発電機１３は許容電力の絶対値以下の電力で電動動作を行う。
【００６５】
また、図９（ｂ）に示すように、電動発電機１３が発電動作しており、電動発電機１３の実際の電動電力（実際値）が利用可能電力より大きい場合、許容電力が正になる。この場合、許容電力を発電電力の下限値（最小の発電電力）として電動発電機１３を発電動作させる。電動電力の要求電力（正の値）が許容電力以下であれば、下限リミッタ３４は要求電力を電力変換装置１９に出力する。一方、電動電力の要求電力が許容電力より小さければ、下限リミッタ３４は許容電力またはそれより大きい電力に要求電力を設定して電力変換装置１９に出力する。これにより、発電電力が許容電力以上になり、電動発電機１３は許容電力以上の電力を生成するように発電動作を行う。
【００６６】
上記構成によれば、許容電力が正の場合に電動発電機１３の発電電力が許容電力以上になり、許容電力が負の場合に電動発電機１３の電動電力の絶対値が許容電力の絶対値以下になる。これにより、利用可能電力は常に０以上に保たれるので、ハイブリッド船舶１０の電力を安定的に管理することができる。なお、下限リミッタ３４には所定の余裕値を足し合わせてもよい。例えば、余裕値をＰ１以上とすれば、利用可能電力は常にＰ１以上に保たれるので、船内負荷１６を遮断することを完全に抑止することができる。また、余裕値をＰ２以上とすれば、利用可能電力は常にＰ２以上に保たれるので、主発電機の追加起動を完全に抑止することができる。このように電動発電機１３の電力が制限されることにより、主機１１の効率は最高効率からずれて、ハイブリッド船舶１０の効率がわずかに低下することもある。しかしながら、電動発電機１３の電動電力が大き過ぎたり、電動発電機１３の発電電力が不足したりして、電力が足りずに船内負荷１６を遮断することを低減して、ハイブリッド船舶１０の電力を安定的に管理することができる。
【００６７】
また、実施の形態１と同様に、より少ない計算量でハイブリッド船舶１０における燃費を最小化することができる。さらに、機械推進船を改造したハイブリッド船舶１０に対しても制御システム１７を容易に適用することができる。
【００６８】
さらに、実施の形態３の制御システム１７は、実施の形態２の上限リミッタ３３をさらに備えることができる。これにより、実施の形態２と同様に、逆電力による主発電機１２のトリップを防いで、ハイブリッド船舶１０の電力を安定的に管理することができる。
【００６９】
（実施の形態４）
実施の形態４に係るハイブリッド船舶１０の制御システム１７は、図１０に示すように、電力貯蔵装置３５およびその制御装置（電力貯蔵装置制御装置）３６をさらに備えている。この点が実施の形態１のハイブリッド船舶１０の制御システム１７と異なるが、それ以外は同様である。図１０は、実施の形態４に係るハイブリッド船舶１０の制御システム１７の構成例を示すブロック図である。
【００７０】
図１０に示す電力貯蔵装置３５は、主発電機１２、電動発電機１３および商用電源などからの電力を蓄え、必要に応じて電力を供給することができる、たとえば、蓄電池やキャパシタである。電力貯蔵装置３５は、電力変換装置３７を介して船内母線１５に接続されている。電力貯蔵装置制御装置３６は、電力貯蔵装置３５を制御する装置であって、電力貯蔵装置３５および電力管理装置２４に信号線により接続されている。
【００７１】
図１１は、実施の形態４に係るハイブリッド船舶１０の制御システム１７の構成例を示すブロック図である。図１１に示すように、電力貯蔵装置制御装置３６は、電力管理装置２４の台数制御部３１に接続されている。台数制御部３１は、利用可能電力に基づいて主発電機１２の台数を決め、台数に応じた起動指令または停止指令を第１〜第ｍ主発電機制御装置２２に出力する。この起動指令の際、台数制御部３１は、電力貯蔵装置制御装置３６に放電指令を出力する。
【００７２】
たとえば、図５に示すように、船内負荷１６の消費電力や電動発電機１３の電動電力が増えて、利用可能電力が閾値Ｐ１以上閾値Ｐ２未満に小さくなった場合(ステップＳ１：ＮＯ、Ｓ３：ＹＥＳ)、停止中の主発電機１２のうちの１台を起動する(ステップＳ４)。この主発電機１２の起動中に、放電指令に応じて電力貯蔵装置３５が放電する。この放電によって電力を補うことができるので、船内負荷１６や電動発電機１３からの要求電力に速やかに対応することができる。
【００７３】
また、実施の形態１と同様に、より少ない計算量でハイブリッド船舶１０における燃費を最小化することができる。さらに、機械推進船を改造したハイブリッド船舶１０に対しても制御システム１７を容易に適用することができる。
【００７４】
さらに、実施の形態４の制御システム１７は、実施の形態２の上限リミッタ３３をさらに備えることができる。これにより、実施の形態２と同様に、逆電力による主発電機１２のトリップを防いで、ハイブリッド船舶１０の電力を安定的に管理することができる。また、実施の形態４の制御システム１７は、実施の形態３の電動発電機電力計２６および下限リミッタ３４をさらに備えることができる。これにより、実施の形態３と同様に、電力不足による船内負荷１６の遮断を低減して、ハイブリッド船舶１０の電力を安定的に管理することができる。
【００７５】
なお、実施の形態４では、電力貯蔵装置３５は船内母線１５に接続されているが、船内母線１５と電動発電機１３との間、たとえば電力変換装置１９の第１電力変換部１９ａと第２電力変換部１９ｂの電力線に、電力変換装置１９を介して接続されていてもよい。
【００７６】
また、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。また、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。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、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のハイブリッド船舶は、実用化可能であって、機械推進船を改造したハイブリッド船舶にも容易に適用可能なハイブリッド船舶の制御方法および制御システム等として有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１０    ：ハイブリッド船舶
１１    ：主機
１２    ：主発電機
１３    ：電動発電機
１４    ：プロペラ
１５    ：船内母線
１６    ：船内負荷
１７    ：制御システム
１８    ：減速装置（動力伝達機構）
２０    ：主機制御装置
２１    ：電動発電機制御装置
２２    ：主発電機制御装置
２３    ：船内負荷制御装置
２４    ：電力管理装置
３３    ：上限リミッタ
３４    ：下限リミッタ
３５    ：電力貯蔵装置
３６    ：電力貯蔵装置制御装置
【図１】
2016078565.tif 000003
【図２】
2016078565.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016078565.tif 000008
【図７】
2016078565.tif 000009
【図８】
2016078565.tif 000010
【図９】
2016078565.tif 000011
【図１０】
2016078565.tif 000012
【図１１】
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