JP2011256827A - 電源システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合、蓄電池に充電した余剰電力を放電して負荷に電力を供給し、ディーゼル発電機の運転時間を短縮する。
【解決手段】ガスタービン2-1によって駆動され内燃機関1に圧縮空気を送り込むコンプレッサ2-2から成るターボチャージャ2によって駆動される発電機4を備えたターボチャージャ発電装置と、発電機4が出力する交流電圧を異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置FCと、内燃機関1とは別の原動機によって駆動される第2の発電装置20および負荷10を接続する電源系統19を備え、蓄電池の残容量が満充電に近い所定値になると発電機を停止させ,蓄電池の残容量が0に近い所定値になると発電機を始動させ、負荷の消費電力よりターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合に蓄電池に余剰電力を充電し、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合に蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給し、第2の発電装置の運転時間を短縮する。
【選択図】図1
【解決手段】ガスタービン2-1によって駆動され内燃機関1に圧縮空気を送り込むコンプレッサ2-2から成るターボチャージャ2によって駆動される発電機4を備えたターボチャージャ発電装置と、発電機4が出力する交流電圧を異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置FCと、内燃機関1とは別の原動機によって駆動される第2の発電装置20および負荷10を接続する電源系統19を備え、蓄電池の残容量が満充電に近い所定値になると発電機を停止させ,蓄電池の残容量が0に近い所定値になると発電機を始動させ、負荷の消費電力よりターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合に蓄電池に余剰電力を充電し、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合に蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給し、第2の発電装置の運転時間を短縮する。
【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関のターボチャージャにより駆動されて発電するターボチャージャ発電装置を備えた電源システムに関する。
ターボチャージャ発電装置とは、内燃機関の排出する排気ガスを利用してコンプレッサを駆動してもエネルギーに余りがあるので、その余剰エネルギーで発電機を駆動して発電を行うものである。先行技術文献として特許文献1が開示されている。
従来のターボチャージャ発電装置を備えた電源システムについて図8を参照して説明する。
図8において、1は内燃機関であり、2はガスタービン(G/Tと表記)2−1およびコンプレッサ(Cと表記)2−2とを同一軸上に直結してなるターボチャージャである。このターボチャージャ2の余剰エネルギーによって発電機4を駆動するようにしたものがターボチャージャ発電装置である。
図8において、1は内燃機関であり、2はガスタービン(G/Tと表記)2−1およびコンプレッサ(Cと表記)2−2とを同一軸上に直結してなるターボチャージャである。このターボチャージャ2の余剰エネルギーによって発電機4を駆動するようにしたものがターボチャージャ発電装置である。
従来のターボチャージャ発電装置では、内燃機関1から排出される排気ガスをガスタービン2−1を通過させて外部へ放出する。このとき排気ガスの有するエネルギーはガスタービン2-1によって回転エネルギーに変換され、変換された回転エネルギーによりコンプレッサ2-2を駆動して内燃機関1内に圧縮空気を送り込む。この動作により内燃機関1への外気の充填効率を高めている。
そして、ガスタービン2-1の回転エネルギーによってターボチャージャ出力軸3を介して発電機4(以下、永久磁石発電機4という)も駆動され発電する。このようにターボチャージャ2と永久磁石発電機4とが直結されているので、ガスタービン2-1の回転速度が変動すると、同じように永久磁石発電機4の回転速度も変動し、その結果永久磁石発電機4の出力交流電圧の周波数が変動する。
永久磁石発電機4の出力交流電圧は、周波数変換装置FCによって異なる周波数の交流電圧に変換されて出力される。この周波数変換装置FCは、ダイオードを例えばブリッジ結線して交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ(以下、ダイオードコンバータという)5と、脈流を平滑するコンデンサ6と、IGBT等の半導体スイッチング素子をブリッジ結線して平滑された直流電圧を所定の周波数、例えば、船内の電源周波数(60Hz)の交流電圧に変換するインバータ7とから構成されている。
インバータ7の出力電圧は変圧器8によって船内電源の電圧と一致するように変成され、さらにフィルタ9で高調波成分を除去されたのち船内電源系統19に供給される。
船内電源系統19には遮断器21を介してディーゼル機関によって駆動される発電機(ディーゼル発電機;D/Gと表記)20も接続されており、ターボチャージャ発電装置およびディーゼル発電機20によって前記船内電源系統19に接続されている船内負荷10に電力を供給することができるようになっている。なお、このディーゼル発電機20を駆動するディーゼルエンジンは前記ターボチャージャを駆動する内燃機関1とは別の原動機であることは言うまでもない。
船内電源系統19には遮断器21を介してディーゼル機関によって駆動される発電機(ディーゼル発電機;D/Gと表記)20も接続されており、ターボチャージャ発電装置およびディーゼル発電機20によって前記船内電源系統19に接続されている船内負荷10に電力を供給することができるようになっている。なお、このディーゼル発電機20を駆動するディーゼルエンジンは前記ターボチャージャを駆動する内燃機関1とは別の原動機であることは言うまでもない。
ターボチャージャ発電装置の発電可能な電力は、ターボチャージャの回転速度に依存しており、ターボチャージャの回転速度とターボチャージャ発電装置の発電可能な有効電力の関係の一例を図9に示す。
ターボチャージャの回転速度nとターボチャージャ発電装置の発電電力Pとは、図9の特性で示すようにターボチャージャの回転速度nが定格回転速度nsのときは定格電力Psを出力するが、回転速度nが下がるとそれに対応して発電電力Pが小さくなるようになっている。
ターボチャージャの回転速度nとターボチャージャ発電装置の発電電力Pとは、図9の特性で示すようにターボチャージャの回転速度nが定格回転速度nsのときは定格電力Psを出力するが、回転速度nが下がるとそれに対応して発電電力Pが小さくなるようになっている。
15はターボチャージャ2の回転速度nを検出する回転速度検出器であり、その検出された回転速度nは制御回路30に入力されるようになっている。この制御回路30は図9の特性に基づいてターボチャージャ発電装置の発電可能な電力を電力指令としてインバータ7に出力する。
図8に示す電源システムは、通常、ターボチャージャ発電装置の発電電力が船内負荷10の消費電力より少なくなるように設計されており、ターボチャージャ発電装置の発電電力が不足する分の電力はディーゼル発電機20より供給するようになっている。
上記のような電源システムにおいて、船内の負荷10で消費する有効電力が減少したために、船内負荷10で消費する有効電力よりもターボチャージャ発電装置の発電可能な有効電力が上回る場合は、インバータ7から出力する有効電力を絞り、船内負荷10で消費する有効電力とターボチャージャ発電装置の出力有効電力とを均衡させる必要がある。
このとき、ターボチャージャ発電装置としては、発電可能な有効電力よりも出力電力を減らして運転するので、出力電力を減らした分だけ、ターボチャージャの余剰エネルギーが利用されないという問題が発生する。
また、ターボチャージャ2の回転速度が低下した場合、発電可能な電力が減少する。船内の負荷10に安定した電力を供給するためには、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも電力供給ができるように、ディーゼル発電機を常に運転しておかなければならない。そうした場合、ターボチャージャ発電装置の出力電力が大きい時には、ディーゼル発電機20は低出力で運転するため発電効率が悪化するという問題がある。
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、第1の目的とするところは、船内負荷の変動に拘らずターボチャージャの余剰エネルギーを有効に利用できる電源システムを提供することにある。
また、第2の目的とするところは、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも負荷に電力を供給できるようにし、ディーゼル発電機の運転時間を短縮できるようにすることである。
また、第2の目的とするところは、ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも負荷に電力を供給できるようにし、ディーゼル発電機の運転時間を短縮できるようにすることである。
上記の目的を達成するために、請求項1に係る電源システムの発明は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第2の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、前記周波数変換装置を、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を直流に変換するPWMコンバータと、前記PWMコンバータの直流側に接続された蓄電池と、前記PWMコンバータの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記PWMコンバータから出力すべき電流の電流指令値を決定する第1の制御手段を設け、前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第1の所定値以上であると判断したとき前記第2の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第2の所定値以下であると判断したとき前記第2の発電装置を始動させる第2の制御手段を設け、前記電源系統に接続される負荷の消費電力よりも前記ターボチャージャ発電装置の発電機が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第2の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給して、前記第2の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする。
また、請求項2に係る電源システムの発明は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第2の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、前記周波数変換装置を、前記発電機が出力する交流電圧を直流に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータの直流側に接続され、前記ダイオードコンバータの出力する直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパの出力側に接続された蓄電池と、前記昇圧チョッパの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記昇圧チョッパから出力すべき電流の電流指令値を決定する第3の制御手段を設け、前記第3の制御手段から出力された電流指令値と前記昇圧チョッパの出力電流との偏差に基づいて前記昇圧チョッパのスイッチング素子にPMW信号を出力する第4の制御手段を設け、前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第1の所定値以上であると判断したとき前記第2の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第2の所定値以下であると判断したとき前記第2の発電装置を始動させる第2の制御手段を設け、前記電源系統に接続される負荷で消費する有効電力よりも前記ターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第2の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して負荷に電力を供給して、前記第2の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、負荷で消費する有効電力よりもターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合、インバータの直流回路に接続した蓄電池に余剰電力を蓄えておくことができるので、ターボチャージャの余剰エネルギーを有効に利用することができる。
また、ターボチャージャの回転速度の低下によってターボチャージャ発電装置の発電電力が減少した場合でも、蓄電池に蓄えた余剰電力を利用して負荷に電力を供給することができるので、電力系統に接続されるディーゼル発電機の運転時間を短縮することができる。
以下、本発明を実施するための形態について図を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るターボチャージャ発電装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態の電源システムは図8に示す従来の電源システムに比べて、周波数変換装置FCの主回路構成および制御装置が一部異なる。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るターボチャージャ発電装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態の電源システムは図8に示す従来の電源システムに比べて、周波数変換装置FCの主回路構成および制御装置が一部異なる。
本実施形態の周波数変換装置FCの主回路構成の異なる点は、ダイオードコンバータ5をPWMコンバータ23に置き換えるとともに、そのPWMコンバータ23の出力端子側に前記コンデンサ6と並列する蓄電池22を接続し、さらに、PWMコンバータ23の出力側にコンバータ出力電流I1を検出する電流検出器11と、インバータ7の直流部に流れる負荷電流I2を検出する電流検出器12と、蓄電池22の充放電時に流れる電流I3を検出する電流検出器13と、さらに、蓄電池22の充電電圧VDCを検出する電圧検出器14とをそれぞれ設けるように構成した点である。
また、制御装置の異なる点は、ダイオードコンバータ5とインバータ7とを制御する制御回路30を、PWMコンバータ23を制御する制御回路31(便宜上、第1の制御手段と呼称する場合がある)と、インバータ7を制御する電圧・周波数設定器25とに分離するとともに、新たにSOC検出器32と制御回路33とを備えるようにした点である。なお、SOC検出器32と制御回路33からなる装置を便宜上、第2の制御手段と呼称する場合がある。
ここで、SOCとは蓄電池22のState of Charge(充電状態)のことである。その他の構成は図8に示す従来の電源システムと同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
図1において、制御回路31は、回転速度検出器15で検出した回転速度信号nと、電圧検出器14で検出した直流電圧VDCと、電流検出器12で検出した負荷電流I2とを入力して演算し、PWMコンバータ23の図示しないゲート回路に出力電流指令値I1 *を出力するものである。PWMコンバータ23の図示しないゲート回路は、出力電流指令値I1 *の他に電流検出器11で検出された出力電流値I1を入力することにより主回路の出力電流I1が出力電流指令値I1 *と一致するよう制御する。一方、インバータ7の図示しないゲート回路は、電圧・周波数設定器25より電圧および周波数の基準を入力し、主回路出力の出力電圧と出力周波数を一定に制御する。
図2は制御回路31の制御ブロック図の一例を示す図である。
図2の制御回路31において、40は図9の特性を有する関数回路であり、入力信号であるターボチャージャ2の回転速度nに対応した永久磁石発電機4として出力可能な電力PGを出力するものである。41は磁石発電機4の出力電力PGを直流電圧VDCで除算し、PWMコンバータ23が出力し得る電流値I1Aを出力する除算器である。42は蓄電池22の充電目標電圧VDC *と前記直流電圧VDCとの差を出力する減算器42である。43は減算器42の出力を比例演算して蓄電池22への充電電流指令値I3 *を出力する比例制御器(Pと表記)である。44は入力した充電電流指令値I3 *が予定の充電電流許容値を超えないように制限して指令値I3LIMを出力するリミッタ44である。
図2の制御回路31において、40は図9の特性を有する関数回路であり、入力信号であるターボチャージャ2の回転速度nに対応した永久磁石発電機4として出力可能な電力PGを出力するものである。41は磁石発電機4の出力電力PGを直流電圧VDCで除算し、PWMコンバータ23が出力し得る電流値I1Aを出力する除算器である。42は蓄電池22の充電目標電圧VDC *と前記直流電圧VDCとの差を出力する減算器42である。43は減算器42の出力を比例演算して蓄電池22への充電電流指令値I3 *を出力する比例制御器(Pと表記)である。44は入力した充電電流指令値I3 *が予定の充電電流許容値を超えないように制限して指令値I3LIMを出力するリミッタ44である。
45は蓄電池22に充電可能な電流すなわち充電電流許容値I3LIMと、負荷の消費電流I2とを加算して、加算電流I1Bを出力する加算器である。
46はI1AとI1Bのうち、いずれか小さい方をI1 *として出力する最小値選択回路46である。
46はI1AとI1Bのうち、いずれか小さい方をI1 *として出力する最小値選択回路46である。
図3は蓄電池22の充電特性の一例を示す図である。
蓄電池22の充電電流許容値は、一般的には蓄電池22の「定格容量」と「充電レート」により定められる。蓄電池22の電圧が低いときには充電電流指令値I3 *は大きくなるが、充電電流指令値I3 *はリミッタ44にて前記の充電電流許容値I3LIMに制限されて定電流充電される。蓄電池22の電圧VDCが充電目標電圧VDC *に達すると、充電電流I3は減少して定電圧充電される。
蓄電池22の充電電流許容値は、一般的には蓄電池22の「定格容量」と「充電レート」により定められる。蓄電池22の電圧が低いときには充電電流指令値I3 *は大きくなるが、充電電流指令値I3 *はリミッタ44にて前記の充電電流許容値I3LIMに制限されて定電流充電される。蓄電池22の電圧VDCが充電目標電圧VDC *に達すると、充電電流I3は減少して定電圧充電される。
図1に戻って、SOC検出器32は前記電流検出器13により検出された蓄電池22に流れる電流I3を入力して蓄電池22のSOC(State of Charge;充電状態)信号を出力する。蓄電池22の容量は電流と時間の積(AH)で示され、満充電状態を100%とし放電時は放電電流を積算して減算することでSOC信号を求めることができる。
制御回路33は、SOC検出器32から入力したSOC信号が例えば、蓄電池容量の1/3などといったように、残量が少ない状態に定めた第2の所定値LLを下回ったか否かを判定し、SOC信号が第2の所定値LLを下回ったと判定したときは、ターボチャージャ発電装置(2〜4)の発電電力のみでは船内負荷10の電力を賄えないので、不足する電力分をディーゼル発電機20の出力で賄う必要がある。このためディーゼル発電機20を運転し、その電圧・周波数を船内電源系統19の電圧・周波数に揃速制御し、位相を同期させた後に遮断器21を閉じるように動作する。逆に、SOC信号が満充電に近い値に定めた第1の所定値LHを上回ったときは、ターボチャージャ発電装置(2〜4)の発電電力のみで船内負荷10の消費電力を賄える状態になっているので、遮断器21を開き、ディーゼル発電機20を停止させるように動作する。
このように、SOC検出器32から制御回路33からなる第2の制御手段の制御に基づいて、ターボチャージャ発電装置(2〜4)の発電電力のみでは不足する分の電力をディーゼル発電機20の低出力運転で賄うようにしたので、ディーゼル発電機20の運転時間を最小限に抑えることができ、その分の燃料の節約とメンテナンス費用を削減する効果がある。
次に、図4を参照して本発明のターボチャージャ発電装置の応動を説明する。
図4中(a)は永久磁石発電機の発電可能電力を、(b)は永久磁石発電機の発電電力と負荷消費電力の関係を、(c)は蓄電池の充放電電力を、(d)は蓄電池の充電状態(SOC)を、そして(e)はディーゼル発電機の発電電力をそれぞれ示す図である。
図4中(a)は永久磁石発電機の発電可能電力を、(b)は永久磁石発電機の発電電力と負荷消費電力の関係を、(c)は蓄電池の充放電電力を、(d)は蓄電池の充電状態(SOC)を、そして(e)はディーゼル発電機の発電電力をそれぞれ示す図である。
図4において、始動開始時点ではディーゼル発電機20は当初は停止しており、また、蓄電池22も所定値まで充電されておらず、船内負荷10の消費電力を全てインバータ7から供給するものとする。この条件では、インバータ7の直流部に流れる負荷電流I2は船内負荷10の消費電力によって決まる。
しかもこの時点では永久磁石発電機4の発電可能な電力が船内負荷10の消費電力より大きく(図4(b))、かつ蓄電池22のSOC信号が低く充電可能な電流が十分大きい(I1A<I1B)。このため、図2の最小値選択回路46は小さい方の電流I1Aを選択してI1 *としてPWMコンバータ23に出力するので、PWMコンバータ23によってターボチャージャ発電装置の余剰電力は蓄電池22に充電され、SOC信号は増加する(期間(i))。
このことにより、本実施形態では従来のターボチャージャ発電装置では発電電力を絞ったために、有効に利用していなかった余剰電力を蓄えることができる。
そして、蓄電池22が満充電(100%)状態に近づくにつれ充電電流I3が減少し、I1A>I1Bになる。すると、ターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機4の発電電力は、船内負荷10の消費電力と蓄電池22の充電電力の合計値に制御される(期間(ii))。
そして、蓄電池22が満充電(100%)状態に近づくにつれ充電電流I3が減少し、I1A>I1Bになる。すると、ターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機4の発電電力は、船内負荷10の消費電力と蓄電池22の充電電力の合計値に制御される(期間(ii))。
蓄電池22が満充電(100%)状態では、蓄電池充電電力は0となるので、PWMコンバータ23、インバータ7、変圧器8およびフィルタ9の損失を無視すれば、永久磁石発電機4の発電電力は船内負荷10の消費電力に等しくなる(期間(iii))。
この期間(iii)の状態から船速を下げる等の理由で内燃機関1の出力が減少すると、ターボチャージャ2の回転速度nも減速するので、ターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機4の発電可能な電力が減少してI1A<I1Bとなる。この状態では最小値選択回路46が小さい方の電流I1Aを選択してI1 *としてPWMコンバータ23に出力するので、永久磁石発電機4の発電電力は、発電可能な電力で制限される。船内負荷10の消費電力に対してターボチャージャ発電装置の永久磁石発電機4の発電電力が不足する分は蓄電池22より供給され、SOC信号は時間の経過とともに徐々に減少する(期間(iv))。
このような状態が暫く継続して蓄電池22のSOC信号がゼロに近い(ゼロ側に設定した)第2の所定値LL以下になったとき、ディーゼル発電機20を起動して発電し、ディーゼル発電機20により船内負荷10に電力を供給する(期間(v))。船内負荷10の消費電力が大きく、ディーゼル発電機20のみで供給できない場合には、ターボチャージャ発電装置とディーゼル発電機20で電力を供給することになる。ターボチャージャ発電装置とディーゼル発電機20の発電電力合計値が船内負荷10の消費電力を上回れば、その余剰分の電力で蓄電池22は充電され、SOC信号は増加する(期間(v))。
そして、蓄電池22が満充電(100%)に近づきSOC信号が所定値以上になると、ディーゼル発電機20を停止させる(期間(vi))。
そして、蓄電池22が満充電(100%)に近づきSOC信号が所定値以上になると、ディーゼル発電機20を停止させる(期間(vi))。
次に、本実施形態のように蓄電池22をインバータ7の直流側に設置した構成の意義について以下説明する。
一般的に、蓄電池の直流電力を交流の電力系統に供給するためには、インバータを備えることが必要になる。そのインバータを構成するIGBT等のスイッチング素子(図示しない)には、スイッチング素子自身に電流が流れることによる定常損失と、オン・オフによるスイッチング損失が発生するので、蓄電池に充電された電力のうちいくらかはインバータの損失として消費される。スイッチング損失はインバータを運転した場合にインバータに流れる電流が少なくても発生する。本実施形態のようにインバータ7の直流側に蓄電池22を設置するのではなく、船内電源系統19に新たに充放電用インバータを設置し、その充放電用インバータに蓄電池を接続する構成も考えられる。しかし、この構成に比べると、本実施形態のように蓄電池22をインバータ7の直流側に設置し、永久磁石発電機4の出力電力を一旦直流に変換して船内電源周波数の交流に変換するためのインバータ7を利用する方が、全体のインバータの設置台数が少なくて済むので、スイッチング損失の増加を抑制することができるという効果がある。
一般的に、蓄電池の直流電力を交流の電力系統に供給するためには、インバータを備えることが必要になる。そのインバータを構成するIGBT等のスイッチング素子(図示しない)には、スイッチング素子自身に電流が流れることによる定常損失と、オン・オフによるスイッチング損失が発生するので、蓄電池に充電された電力のうちいくらかはインバータの損失として消費される。スイッチング損失はインバータを運転した場合にインバータに流れる電流が少なくても発生する。本実施形態のようにインバータ7の直流側に蓄電池22を設置するのではなく、船内電源系統19に新たに充放電用インバータを設置し、その充放電用インバータに蓄電池を接続する構成も考えられる。しかし、この構成に比べると、本実施形態のように蓄電池22をインバータ7の直流側に設置し、永久磁石発電機4の出力電力を一旦直流に変換して船内電源周波数の交流に変換するためのインバータ7を利用する方が、全体のインバータの設置台数が少なくて済むので、スイッチング損失の増加を抑制することができるという効果がある。
[第2の実施形態]
図5は本発明の第2の実施形態に係るターボチャージャ発電装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態のターボチャージャ発電装置は図1のターボチャージャ発電装置に比べて、周波数変換装置FCの主回路構成および制御装置が一部異なる。本実施形態の周波数変換装置FCの主回路構成の異なる点は、IGBT等のスイッチング素子で構成したPWMコンバータ23を、ダイオードで構成したダイオードコンバータ5およびそのダイオードコンバータ5の出力端子側に接続された昇圧チョッパ24とからなる電圧制御装置に置き換えるように構成した点である。
図5は本発明の第2の実施形態に係るターボチャージャ発電装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態のターボチャージャ発電装置は図1のターボチャージャ発電装置に比べて、周波数変換装置FCの主回路構成および制御装置が一部異なる。本実施形態の周波数変換装置FCの主回路構成の異なる点は、IGBT等のスイッチング素子で構成したPWMコンバータ23を、ダイオードで構成したダイオードコンバータ5およびそのダイオードコンバータ5の出力端子側に接続された昇圧チョッパ24とからなる電圧制御装置に置き換えるように構成した点である。
また制御装置の異なる点は、制御回路31Aから出力された電流指令値I1 *と電流検出器11の出力電流I1とを入力してPWM信号を出力しスイッチング素子36のオン/オフを制御するチョッパ制御回路34を備えた点である。なお、制御回路31Aは、図1の制御回路31と同じ構成であるが、出力信号I1 *の送り先がコンバータではなくチョッパに替わっただけであり、便宜上、第3の制御手段とも呼称する場合がある。その他の構成は図1と同一なので、同一構成部分には同一符号を付して重複する説明は適宜省略する。
なお、昇圧チョッパ24は、ダイオードコンバータ5の+側端子にリアクトル35を介して接続されたスイッチング素子36およびスイッチング素子36の出力側に接続されたダイオード37を有している。なお、このスイッチング素子36は、例えばIGBT等の半導体スイッチング素子で構成されている。昇圧チョッパ24はスイッチング素子36をスイッチングすることによりリアクトルに蓄積されたエネルギーを利用して入力電圧を昇圧するものであるが、これについては周知技術なので詳細な説明は省略することにする。
チョッパ制御回路34の一例を図6の制御ブロック図に示す。
図6のチョッパ制御回路34において、50は制御回路31Aからの出力電流指令値I1 *と、電流検出器11からの出力電流値I1との偏差を求める減算器である。この減算器50の偏差は、PI(比例積分)制御器51で増幅されたのち、リミッタ52で所定の範囲内に制限されてPWM回路53に入力される。PWM回路53は、図7に示すようにキャリア信号を生成し、キャリア信号とリミッタ52からの入力信号とを比較することにより、昇圧チョッパ24のスイッチング素子36をオン/オフさせるためのPWM信号を出力する。
図6のチョッパ制御回路34において、50は制御回路31Aからの出力電流指令値I1 *と、電流検出器11からの出力電流値I1との偏差を求める減算器である。この減算器50の偏差は、PI(比例積分)制御器51で増幅されたのち、リミッタ52で所定の範囲内に制限されてPWM回路53に入力される。PWM回路53は、図7に示すようにキャリア信号を生成し、キャリア信号とリミッタ52からの入力信号とを比較することにより、昇圧チョッパ24のスイッチング素子36をオン/オフさせるためのPWM信号を出力する。
前記リミッタ52は入力信号がキャリア信号の上限および下限を超えないように制限し、PWM信号が確実に出力されるようにするものである。この結果、昇圧チョッパ24からは昇圧された直流電圧が出力される。チョッパ制御回路34で昇圧チョッパ24の出力電圧を調節することにより、結果として昇圧チョッパ24から出力される電流を制御することができるので、第1の実施形態と同様に出力電流値I1を制御することになり、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、ダイオードコンバータ5の出力電圧を昇圧チョッパ24により昇圧して調整するように構成しているが、「昇圧チョッパ」24を「昇降圧チョッパ」に置き換えても実現できることはいうまでもない。この昇降圧チョッパも周知技術なので詳細な説明は省略する。
[変形例]
以上説明した発電システムでは、高速で回転するターボチャージャ2に発電機4を直結するために発電機4として高速回転時の遠心力に耐える永久磁石ロータを備えた所謂永久磁石発電機を採用したが、永久磁石ロータに替わる高速回転時の遠心力に耐えられるロータがあれば、発電機を永久磁石発電機に限定する必要はない。
また、以上説明した発電システムは、必ずしも船舶用電源システムに限られるものではなく、陸上用電源システムにも適用できるものである。したがって、負荷10は船内負荷に限定されるものではない。
以上説明した発電システムでは、高速で回転するターボチャージャ2に発電機4を直結するために発電機4として高速回転時の遠心力に耐える永久磁石ロータを備えた所謂永久磁石発電機を採用したが、永久磁石ロータに替わる高速回転時の遠心力に耐えられるロータがあれば、発電機を永久磁石発電機に限定する必要はない。
また、以上説明した発電システムは、必ずしも船舶用電源システムに限られるものではなく、陸上用電源システムにも適用できるものである。したがって、負荷10は船内負荷に限定されるものではない。
1…内燃機関、2…ターボチャージャ、2−1…ガスタービン、2−2…コンプレッサ、3…ターボチャージャ出力軸、4…発電機(永久磁石発電機)、5…ダイオードコンバータ、6…コンデンサ、7…インバータ、8…変圧器、9…フィルタ、10…負荷、11,12,13…電流検出器、14…電圧検出器、15…回転速度検出器、19…船内電源系統、20…ディーゼル発電機、21…遮断器、22…蓄電池、23…PWMコンバータ、24…昇圧チョッパ、25…電圧・周波数設定器、30,31,31A,33,34…制御回路、32…SOC検出器、35…リアクトル、36…スイッチング素子、37…ダイオード、40…関数回路、41…除算器、42,50…減算器、43…比例制御器、44,52…リミッタ、45…加算器、46…最小値選択回路、51…PI制御器、53…PWM回路、FC… 周波数変換装置。
Claims (3)
- 内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第2の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、
前記周波数変換装置を、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を直流に変換するPWMコンバータと、前記PWMコンバータの直流側に接続された蓄電池と、前記PWMコンバータの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、
前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記PWMコンバータから出力すべき電流の電流指令値を決定する第1の制御手段を設け、
前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第1の所定値以上であると判断したとき前記第2の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第2の所定値以下であると判断したとき前記第2の発電装置を始動させる第2の制御手段を設け、
前記電源系統に接続される負荷の消費電力よりも前記ターボチャージャ発電装置の発電機が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第2の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して船内負荷に電力を供給して、前記第2の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする電源システム。 - 内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービン及び当該ガスタービンによって駆動されて前記内燃機関に圧縮空気を送り込むコンプレッサから成るターボチャージャと、当該ターボチャージャによって駆動される発電機とを備えたターボチャージャ発電装置と、前記ターボチャージャ発電装置の発電機が出力する交流電圧を一旦直流電圧に変換したのち異なる周波数の交流電圧に変換して出力する周波数変換装置と、前記ターボチャージャを駆動する内燃機関とは別の原動機によって駆動される第2の発電装置および負荷を前記周波数変換装置に接続する電源系統と、を備えた電源システムにおいて、
前記周波数変換装置を、前記発電機が出力する交流電圧を直流に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータの直流側に接続され、前記ダイオードコンバータの出力する直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパの出力側に接続された蓄電池と、前記昇圧チョッパの出力する直流電圧を商用周波数の交流に変換して出力するインバータとから構成し、
前記ターボチャージャの回転速度、前記蓄電池の充電目標電圧、前記蓄電池の検出電圧および前記インバータに流れる負荷電流を入力して演算し、前記昇圧チョッパから出力すべき電流の電流指令値を決定する第3の制御手段を設け、
前記第3の制御手段から出力された電流指令値と前記昇圧チョッパの出力電流との偏差に基づいて前記昇圧チョッパのスイッチング素子にPMW信号を出力する第4の制御手段を設け、
前記蓄電池に流れる電流を入力することにより当該蓄電池の残容量が満充電側に定めた第1の所定値以上であると判断したとき前記第2の発電装置を停止させ、前記蓄電池の残容量がゼロ側に定めた第2の所定値以下であると判断したとき前記第2の発電装置を始動させる第2の制御手段を設け、
前記電源系統に接続される負荷で消費する有効電力よりも前記ターボチャージャ発電装置が発電可能な有効電力が上回る場合にはその余剰電力を前記蓄電池に充電し、前記ターボチャージャ発電装置の発電電力が減少して前記負荷の消費電力よりも小さくなったときは、前記第2の発電装置の運転を停止させるとともに前記蓄電池に充電した余剰電力を放電して負荷に電力を供給して、前記第2の発電装置の運転時間を短縮するようにしたことを特徴とする電源システム。 - 前記昇圧チョッパの代わりに昇降圧チョッパを備えたことを特徴とする請求項2記載の電源システム
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