JP6998125B2 - 船舶の推進システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の推進システムの制御方法に関する。

近年、船舶用の推進器として、羽根の角度（ピッチ）を自在に変えることができる可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ：Controllable Pitch Propeller）が一般的である（例えば特許文献１を参照）。ＣＰＰでは、与えられた翼角指令値に従って、ＣＰＰのピッチを変えることにより、主機の回転数および回転方向を一定に維持しながら任意の前後方向の推進力を得ることができる。

ＣＰＰの翼角を制御する制御方式として、自動負荷制御（ＡＬＣ：Automatic Load Control）がある。ＡＬＣでは、主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で主機が運転されるように、与えられた翼角指令値に対して可変ピッチプロペラの翼角を制限する。例えばある主機の回転数に対して、設定された負荷領域の上限を超えて主機が過負荷となった場合にＣＰＰの翼角を制限する。これにより、過負荷による主機のトリップを防ぐことができる。

特開２０１０－１３２１６１号公報

しかし、突発的な負荷変動が発生した場合、上記従来の翼角制限によって、一旦翼角が制限されると、過負荷が解消されるが、元の翼角に戻るまでには時間がかかってしまう。このため、その間は所望の推力を得ることができない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、可変ピッチプロペラを備えた船舶の推進システムにおいて、翼角制限に伴う一時的な推力の低下を防ぐことを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係る船舶の推進システムの制御方法は、電力源と、主機と、電動機または電動発電機と、与えられた翼角指令値に従って翼角制御される可変ピッチプロペラと、前記電力源により発電された電力を前記電動機または前記電動発電機に供給する電力変換装置と、制御装置と、を備え、前記主機、前記電動機または前記電動発電機、および、前記可変ピッチプロペラは同じ駆動軸に接続されている、船舶の推進システムの制御方法であって、前記主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で前記主機が運転されるように、与えられた前記翼角指令値に対して前記可変ピッチプロペラの翼角を制限することと、前記翼角制限に先立って、前記電動機または前記電動発電機を駆動し、前記主機の負荷を低減するよう前記電力変換装置を制御することと、を含む。

上記構成によれば、電動機によって主機の加勢を行う船舶推進システムにおいて、可変ピッチプロペラを与えられた翼角指令値に従って翼角制御する。このとき、可変ピッチプロペラの自動負荷制御（ＡＬＣ）により、主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で主機が運転されるように可変ピッチプロペラの翼角を制限する。これにより、過負荷による主機のトリップを防ぐことができる。突発的な負荷変動が発生し、翼角を制限した場合、過負荷は解消されるが、元の翼角に戻るまでには時間がかかり、その間は所望の推力が得られない。そこで、翼角制限に先立って、可変ピッチプロペラと同じ駆動軸に接続された電動機（または電動発電機）を駆動し、主機の負荷が低減されるように電力変換装置を制御する。電動機による加勢により、主機が過負荷になる前に主機の負荷が低減されるので、翼角制限による推力低下を防ぐことができる。万が一、電動機が何らかの理由で駆動できなくなった場合においても、翼角制限が機能するので主機が過負荷でトリップすることはない。

上記船舶の推進システムの制御方法は、前記主機の回転数に対して、前記負荷領域の上限値より小さい所定の値を翼角制限開始負荷として設定し、前記翼角制限開始負荷より小さい所定の値を加勢開始負荷として設定することと、前記主機の出力が前記翼角制限開始負荷を超過した場合に前記翼角を制限するように与えられた前記翼角指令値を補正することと、前記主機の出力が前記加勢開始負荷より大きい値である場合には、前記電動機または前記電動発電機を駆動するよう前記電力変換装置に加勢駆動指令を与えることと、前記主機の出力が前記加勢開始負荷より小さい値である場合には、前記電動機または前記電動発電機の駆動を停止するように前記加勢駆動指令をゼロまたはゼロまで低下させることと、を更に含んでもよい。

上記構成によれば、電動機（または電動発電機）を駆動し主機の負荷を低減した後、CPP負荷が低下して主機に余裕ができた場合は、加勢駆動指令をゼロまで低下させる。尚、主機に最初から余裕がある場合には、加勢駆動指令はゼロであり電動機による加勢は行われない。

前記船舶の推進システムは、前記電力源の全部または一部として、前記電力変換装置の直流部に接続され、または、他の電力変換装置と前記電力系統を介して前記電力変換装置に接続された電力貯蔵装置を更に備え、上記船舶の推進システムの制御方法は、前記電動機または前記電動発電機の駆動電力の全部または一部を前記電力貯蔵装置から放電するよう制御することを更に含んでもよい。

上記構成によれば、電動機（または電動発電機）による加勢に必要な駆動電力の一部または全部を、電力貯蔵装置から供給することができる。

本発明の他の形態に係る船舶の推進システムの制御方法は、電力系統と、主機と、発電機または電動発電機と、与えられた翼角指令値に従って翼角制御される可変ピッチプロペラと、前記発電機または前記電動発電機により発電された電力を電力系統に供給可能な電力変換装置と、制御装置と、を備え、前記主機、前記発電機または前記電動発電機、および、前記可変ピッチプロペラは同じ駆動軸に接続されており、前記主機の出力の一部を駆動力として前記発電機または前記電動発電機が運転される、船舶の推進システムの制御方法であって、前記主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で前記主機が運転されるように、与えられた前記翼角指令値に対して前記可変ピッチプロペラの翼角を制限することと、前記翼角制限に先立って、前記発電機または前記電動発電機の発電電力を低減し、前記主機の負荷を低減するよう前記電力変換装置を制御することと、を含む。

上記構成によれば、主機の出力の一部を用いて発電機（または電動発電機）を駆動し、船内電力を供給する船舶の推進システムにおいて、可変ピッチプロペラを与えられた翼角指令値に従って翼角制御する。このとき、可変ピッチプロペラの自動負荷制御（ＡＬＣ）により、主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で主機が運転されるように可変ピッチプロペラの翼角を制限する。これにより、過負荷による主機のトリップを防ぐことができる。突発的な負荷変動が発生し、翼角を制限した場合、過負荷は解消されるが、元の翼角に戻るまでには時間がかかり、その間は所望の推力が得られない。そこで、翼角制限に先立って、可変ピッチプロペラと同じ駆動軸に接続された発電機（または電動発電機）の発電電力を低減し、主機の負荷が低減されるように電力変換装置を制御する。発電機による発電電力の低減により、主機が過負荷になる前に主機の負荷が低減されるので、翼角制限による推力低下を防ぐことができる。万が一、発電機が何らかの理由で駆動できなくなった場合においても、翼角制限が機能するので主機が過負荷でトリップすることはない。

上記船舶の推進システムの制御方法は、前記主機の回転数に対して、前記負荷領域の上限値より小さい所定の値を翼角制限開始負荷として設定し、前記翼角制限開始負荷より小さい所定の値を発電制限開始負荷として設定することと、前記主機の出力が前記翼角制限開始負荷を超過した場合に前記翼角を制限するように与えられた前記翼角指令値を補正することと、前記主機の出力が前記発電制限開始負荷より大きい値である場合には、前記発電機または前記電動発電機の発電電力を低減するように前記電力変換装置に与える発電電力指令から発電量補正指令を減算することと、前記主機の出力が、前記発電制限開始負荷より小さい値である場合には、前記発電機または前記電動発電機の発電電力を低減しないように前記発電量補正指令をゼロまたはゼロまで低下させることと、を更に含んでもよい。

上記構成によれば、発電機（または電動発電機）の発電電力を低減し主機の負荷を低減した後、CPP負荷が低下して主機に余裕ができた場合は、発電量補正指令をゼロまで低下させる。尚、主機に最初から余裕がある場合には、発電量補正指令はゼロであり発電機による発電電力の低減は行われない。

前記船舶の推進システムは、前記電力変換装置の直流部に接続され、または、他の電力変換装置を介して前記電力系統に接続された電力貯蔵装置を更に備え、上記船舶の推進システムの制御方法は、前記発電機または前記電動発電機の発電電力の低減量の全部または一部を前記電力貯蔵装置から放電するよう制御することを更に含んでもよい。

上記構成によれば、発電電力の低減量の一部または全部を、電力貯蔵装置から供給することができる。

本発明によれば、可変ピッチプロペラを備えた船舶の推進システムにおいて、翼角制限に伴う一時的な推力の低下を防ぐことができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を概略的に示す図である。 図２は、図１の船舶推進システムの制御系の構成の一例を示すブロック図である。 図３は、図１の船舶推進システムの負荷領域を示すグラフである。 図４は、図１の電力変換装置の動作を説明するための図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を概略的に示す図である。 図６は、図５の船舶推進システムの制御系の構成の一例を示すブロック図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を概略的に示す図である。 図８は、図７の船舶推進システムの制御系の構成の一例を示すブロック図である。 図９は、図８の船舶推進システムの負荷領域を示すグラフである。 図１０は、ドループ特性線のグラフである。 図１１は、本発明の第４実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を概略的に示す図である。 図１２は、図１１の船舶推進システムの制御系の構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。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じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る船舶推進システム１００のハードウェア構成を概略的に示す図である。図１に示すように、船舶推進システム１００は、主機１と、電力源２と、電動発電機３と、船内母線４と、可変ピッチプロペラ５と、電力変換装置６と、制御システム７とを備える。太線は機械的接続を示し、細線は電気配線を示している。

主機１は推進器としての可変ピッチプロペラ５を回転駆動する主動力源である。本実施の形態では、主機１は例えば重油やＬＮＧを燃料として可変ピッチプロペラ５を駆動するディーゼルエンジンである。主機１はその他の動力源（例えばガスタービン、ガスエンジン、蒸気タービン）でもよい。このディーゼルエンジンの回転軸が減速装置８を介して可変ピッチプロペラ５に動力伝達可能に接続され、可変ピッチプロペラ５を駆動する。船舶推進システム１００において、主機１は主機回転数指令値に従って回転数制御される。

電力源２は、原動機２ａと発電機２ｂを回転軸で接続した装置であり、原動機２ａの回転軸の回転により発電機２ｂを駆動して発電するように構成されている。原動機２ａは例えばディーゼルエンジンまたはその他の動力源（例えばガスタービン、ガスエンジン、蒸気タービン）でもよい。電力源２は船内の電力系統２１に接続されている。電力系統２１は船内母線４に接続された電力負荷２１ａを含む。電力負荷２１ａは、例えば船舶の照明・空調等のホテル負荷（hotel loads）などの連続的に動作する設備、ウインチ、主機１のエンジンスタータモータ等の短時間に動作する装置が含まれる。電力源２により発電された電力は、船内母線４を介して電力負荷２１ａまたは電力変換装置６に給電される。

電動発電機３は、電動動作又は発電動作するように制御される。電動発電機３は電動動作する場合には、電力変換装置６から供給された電力により主機１による可変ピッチプロペラ５の駆動をアシストする。電動発電機３は発電動作する場合には、主機１から減速装置８を介して伝達される動力により発電した電力を電力変換装置６に供給する。電動発電機３は、回転軸が減速装置８を介して可変ピッチプロペラ５に機械的に接続され、電力変換装置６を介して船内母線４に電気的に接続されている。本実施の形態では、電動発電機３は、専ら電動動作によって、主機１の加勢を行うように制御される。

船内母線４は、電力源２又は電力変換装置６から供給される電力を船内の電力系統２１（電力負荷２１ａ）に伝送する交流のバスラインである。本実施の形態では、船内母線４は、電力源２と、電力負荷２１ａと、電力変換装置６とに電気的に接続されている。船内母線４は電力源２に電気的に接続され、電力変換装置６を介して電動発電機３に電気的に接続される。

可変ピッチプロペラ（以下、単にＣＰＰともいう）５は、船舶に推力を与える推進器であって、１つまたは複数、船舶に設けられている。可変ピッチプロペラ５は、動力伝達機構としての減速装置８を介して主機１と電動発電機３とに機械的に接続される。可変ピッチプロペラ５は減速装置８を介して主機１および電動発電機３と同じ駆動軸に接続されている。可変ピッチプロペラ５は、主機１および電動動作する電動発電機３の一方又は双方から出力される回転動力を、減速装置８を介して受けて、回転動力を推力に変換する。可変ピッチプロペラ５の推力は、減速装置８により調整される可変ピッチプロペラ５の回転数、および、ピッチ角調整機構（図示せず）により調整される可変ピッチプロペラ５のピッチ角（翼角）によって制御される。このピッチ角調整機構は、例えば油圧式のアクチュエータを備え、翼角指令値に従ってアクチュエータを駆動して可変ピッチプロペラ５の翼角を変更する。

電力変換装置６は、その一方の端子が船内母線４に接続され、他方の端子が電動発電機３に接続されている。電力変換装置６は、交流電力を一旦直流電力変換し、その変換により得られた直流電力を交流電力に変換して、電力系統２１および電動発電機３の交流の周波数および電圧を相互に変換する機器である。電力変換装置６は、発電状態では、電動発電機３により発電された電力が電力系統２１に供給され、電動状態では電力源２により発電された電力が電力系統２１から供給されてこの電力を電動発電機３に供給するように構成されている。

電力変換装置６は、第１電力変換器６ａと、第２電力変換器６ｂを備えている。第１電力変換器６ａは、系統側電力変換器であって、たとえば双方向インバータで構成されている。第１電力変換器６ａの交流端が船内母線４（電力系統側）に接続され、かつ、直流端が直流中間部６０に接続されている。第１電力変換器６ａは、直流中間部６０から入力された直流電力を交流電力に変換して船内母線４（電力系統側）に出力する。また船内母線４（電力系統側）から入力された交流電力を直流電力に変換して直流中間部６０に出力する。第２電力変換器６ｂは、電動発電機側電力変換器であって、たとえば双方向インバータで構成されている。第２電力変換器６ｂの直流端が直流中間部６０に接続され、かつ、交流端が電動発電機３に接続されている。第２電力変換器６ｂは、電動発電機３から入力された交流電力を直流電力に変換して直流中間部６０へ出力する。また、直流中間部６０から入力された直流電力を交流電力に変換して電動発電機３に出力する。

制御システム７は、主機１、電力源２、電動発電機３、ＣＰＰ５、および、電力変換装置６の制御を司る。図２は、制御システム７の構成の一例を示すブロック図である。ここで船舶推進システム１００の制御系は、例えば、ＦＰＧＡ(field programmable gate array)、ＰＬＣ(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の演算装置およびメモリで構成されている。なお、制御システム７は、集中制御する単独の制御装置によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御装置によって構成されていてもよい。制御システム７を構成する各要素は、上記演算装置においてメモリに内蔵されているプログラムが実行されることにより実現される。

図２（ａ）のブロック図は、主機１の制御系を示している。図２（ａ）に示すように、主機１の制御系は、加減算器７０と、回転数制御器７１と、燃料供給器７２と、を備える。なお、以下では、加算器、減算器及び加減算器を区別せずに、加減算器と記載する。

加減算器７０は、主機回転数指令値から主機回転数を減算し、減算した値（偏差）を回転数制御器７１に出力するように構成される。ここで主機回転数指令値は、例えば運転者のレバー操作を通じて入力されてもよいし、制御系のメモリに予め記憶されてもよい。主機回転数は、主機１の主軸に設けられた回転数検出器１ａ（たとえば、回転センサ等）により主軸の回転数を検出した値である。

回転数制御器７１は、加減算器７０の出力に基づいて、主機１の燃料供給指令値を演算し、演算した燃料供給指令値を燃料供給器７２に出力するように構成される。本実施の形態では、回転数制御器７１は、主機１の回転数を主機回転数指令値に近づけるように、主機１の燃料供給指令値を演算する。

燃料供給器７２は、回転数制御器７１から入力された燃料供給指令値にしたがって燃料を主機１に供給するように構成されている。本実施の形態では、燃料供給器７２は、例えば重油やＬＮＧ燃料をディーゼルエンジン（主機１）に供給する。

図２（ｂ）のブロック図はＣＰＰ５の制御系を示している。図２（ｂ）に示すように、ＣＰＰ５の制御系は、加減算器７３と、加減算器７４と、翼角信号演算器７５と、を備える。

加減算器７３は、翼角指令値から後述する翼角補正値を減算し、減算した値（偏差）を加減算器７４に出力するように構成される。ここで翼角指令値は、例えば運転者のレバー操作を通じて入力されてもよいし、制御系のメモリに予め記憶されてもよい。

加減算器７４は、加減算器７３の出力値から翼角検出値を減算し、減算した値（偏差）を翼角信号演算器７５に出力するように構成される。翼角検出値は、ＣＰＰ５のピッチ角調整機構（図示せず）に設けられた翼角検出器５ａにより翼角を検出した値である。

翼角信号演算器７５は、加減算器７４の出力に基づいて、翼角信号を演算し、演算した翼角信号をＣＰＰ５のピッチ角調整機構に出力するように構成される。翼角信号演算器７５は、翼角を翼角指令値に近づけるように、例えば入力された偏差を比例処理、積分処理および微分処理することによって翼角信号を算出し、算出した翼角信号をピッチ角調整機構に出力する。

本実施形態では、ＣＰＰ５の制御系は、翼角制限開始負荷設定器７６と、加減算器７７と、ＡＬＣ制御器７８と、負荷上限補正値設定器７９と、加減算器８０と、加減算器８１と、ＰＩＤ制御器８２と、リミッタ回路８３と、を更に備える。

翼角制限開始負荷設定器７６は、主機１の主軸に設けられた回転数検出器１ａにより検出された主機回転数に基づいて、翼角制限開始負荷を設定し、これを加減算器７７および加減算器８０に出力するように構成される。翼角制限開始負荷設定器７６は、例えば制御系のメモリ（図示せず）に予め記憶されたルックアップテーブルを参照し、主機の回転数に対して、主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域の上限値より小さい所定の値を翼角制限開始負荷として設定する。

加減算器７７は、主機出力の推定値から翼角制限開始負荷設定器７６で設定された翼角制限開始負荷を減算し、減算した値（偏差）をＡＬＣ制御器７８に出力するように構成される。ここで主機出力の推定値は主機１への燃料供給量（フューエルインデックス）から推定される。尚、主機出力の推定方法はその他の公知の方法でもよい。

ＡＬＣ制御器７８は、翼角制限開始負荷と主機出力推定値との差に基づいて、翼角指令補正値を算出し、これを加減算器７３に出力するように構成される。ＡＬＣ制御器７８により、主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で主機が運転されるように、与えられた翼角指令値に対して可変ピッチプロペラの翼角が制限される。

負荷上限補正値設定器７９は、主機１の主軸に設けられた回転数検出器１ａにより検出された主機回転数に基づいて、負荷上限補正値を設定し、これを加減算器８０に出力するように構成される。負荷上限補正値設定器７９は、例えば制御系のメモリ（図示せず）に予め記憶されたルックアップテーブルを参照し、主機の回転数に対する所定の値を負荷上限補正値として設定する。

加減算器８０は、翼角制限開始負荷から負荷上限補正値を減算し、減算した値（偏差）を加勢開始負荷として加減算器８１に出力するように構成される。

加減算器８１は、上記主機出力推定値から加減算器８０で算出された加勢開始負荷を減算し、減算した値（偏差）をＰＩＤ制御器８２に出力するように構成される。

ＰＩＤ制御器８２は、主機出力推定値と加勢開始負荷との偏差に対して比例処理、積分処理および微分処理を施し、これをリミッタ回路８３に出力するように構成される。尚、微分処理については、省略してもよい。

リミッタ回路８３は、ＰＩＤ制御器８２の出力値を予め定めた上限値および下限値の範囲内に制限し、これを加勢駆動指令として出力するように構成される。つまり、リミッタ回路８３は、入力されたＰＩＤ制御器８２の出力値が上限値を超えている場合には、この上限値を加勢駆動指令として出力する。同様に、リミッタ回路８３は、入力されたＰＩＤ制御器８２の出力値が下限値を超えている場合には、この下限値を加勢駆動指令として出力する。本実施形態では上限値は電動発電機３の定格で定まる値であり、下限値はゼロの値である。

次に、船舶推進システム１００の動作を説明する。まず、船速を調整する場合の一般的な動作を説明する。本実施の形態では主機１は一定回転数で駆動しつつ可変ピッチプロペラ５の翼角を変化させて船速を調整する。図２に示すように、例えば運転者のレバー操作等を通じて、システム１００の制御系に主機回転数指令値（一定値）及び翼角指令値（可変値）が入力される。まず、加減算器７０は、入力された主機回転数指令値に対する主機回転数の偏差を回転数制御器７１に出力する（図２（ａ）参照）。回転数制御器７１は、この主機回転数の偏差に応じて燃料供給指令値を生成し、これを燃料供給器７２に出力する。燃料供給器７２は、燃料供給指令値に従って燃料を主機１に供給する。これにより、主機１は、回転数が主機回転数指令値に近づくようにフィードバック制御される。一方、入力された翼角指令値に従って、可変ピッチプロペラ５のピッチ角調整機構（図示せず）が翼角を変更する。これにより、主機の回転数および回転方向を一定に維持しながら任意の前後方向の推進力を得ることができ、船舶を所望の船速で運転することができる。このようにして船速を調整する場合、入力された翼角指令値の増加又は減少に応じて主機１の負荷が増加または減少する。

本実施形態の可変ピッチプロペラ５は、自動負荷制御機能（ＡＬＣ）を有する。主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で主機が運転されるように、与えられた翼角指令値に対して可変ピッチプロペラ５の翼角を制限する。図３のグラフは主機の負荷領域を示している。横軸は主機回転数を示し、縦軸は主機出力を示している。主機の回転数に対して、上限値と下限値（破線で示したライン）で規定される負荷領域は経済運転領域とも呼ばれ、効率の良い運転が可能な領域である。また、上限値を超えた領域を過負荷領域といい、下限値未満の領域を低負荷領域という。グラフに示すように、主機の回転数に対して、負荷領域の上限値より小さい所定の値は翼角制限開始負荷として設定され、翼角制限開始負荷より小さい所定の値は加勢開始負荷として設定される。

主機が過負荷に近い状態になった場合、すなわち、ある主機の回転数に対して、主機の出力が翼角制限開始負荷を超過した場合、ＡＬＣ制御器７８は、翼角を制限するように、与えられた翼角指令値を補正する（図２）。過負荷による主機のトリップを防ぐことができる。このように、突発的な負荷変動が発生し、翼角を制限した場合、過負荷は解消されるが、元の翼角に戻るまでには時間がかかり、その間は所望の推力が得られない。

そこで、本実施形態では、翼角制限に先立って、電動発電機３（電動動作）を駆動し、主機の負荷が低減されるように電力変換装置６を制御する。主機の出力が加勢開始負荷より大きい値である場合には、電動発電機３を駆動するよう電力変換装置６に加勢駆動指令を与える。ＡＬＣ制御器７８の動作がルックアップテーブル（７６）で定められた翼角制限開始負荷と、主機出力推定値との差に基づいて定まるのに対し、翼角制限開始負荷から負荷上限補正値を減算し、減算した値を加勢開始負荷とし、この加勢開始負荷と主機出力推定値との差に基づいて加勢駆動指令を定める。加勢駆動指令が与えられる対象は、表１に示すように、電力変換装置６の制御方式によって異なる。電力変換装置６を構成する電力変換器の1つは必ず直流中間部電圧の制御が行われる。これによって、直流中間部に流出入する電力差が直流中間部電圧制御を行う電力変換器に吸収される。

これにより、電動発電機３は、電力変換装置６から供給された電力により電動動作し、主機１による可変ピッチプロペラ５の駆動をアシストする（図４参照）。ＡＬＣ制御器７８により翼角制限動作に先立って、電動発電機３による加勢を行うことにより、主機が過負荷になる前に主機の負荷を低減することができる。これにより、翼角制限による一時的な推力低下を防ぐことができる。

一方、主機の出力が加勢開始負荷より小さい値である場合には、電動発電機３の駆動を停止するように加勢駆動指令をゼロまたはゼロまで低下させる。加勢駆動指令は、ＰＩＤ制御器８２の後段にあるリミッタ回路８３によって負にならないようになっており、主機に余裕がある場合には加勢は行われない（図２参照）。ここで、リミッタ回路８３が動作しているときにはＰＩＤ制御器８２の積分は停止されるので、主機出力推定値が加勢開始負荷を超えたとき、速やかに加勢を行うことができる。

万が一、電動発電機３が何らかの理由で駆動できなくなった場合においても、ＡＬＣ制御器７８の翼角制限が機能するので主機が過負荷でトリップすることはない。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図５は、第２実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示す概略図である。本実施形態の船舶推進システム１００Ａは、第１実施形態（図１）と比較すると、第３電力変換器６ｃと、第３電力変換器６ｃを介して接続された電力貯蔵装置９とを更に備える点が異なる。電力貯蔵装置９は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、電力貯蔵装置９の二種類の接続態様を示している。

図５（ａ）では、第３電力変換器６ｃは、電力貯蔵装置９から直流中間部６０に充放電する電力を制御するＤＣ／ＤＣ変換器である。第３電力変換器６ｃの一方の直流端は直流中間部６０に接続され、且つ、第３電力変換器６ｃの他方の直流端は電力貯蔵装置９に接続される。電力貯蔵装置９は、第３電力変換器６ｃの他方の直流端に接続される。電力貯蔵装置９は例えば二次電池、キャパシタで構成される。二次電池としては、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池および鉛蓄電池を用いてもよい。キャパシタとしては、たとえば、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、ナノハイブリッドキャパシタ、カーボンナノチューブキャパシタを用いてもよい。

図５（ｂ）では、第３電力変換器６ｃは、電力貯蔵装置９から船内母線４に充放電する電力を制御するＡＣ／ＤＣ変換器である。第３電力変換器６ｃの一方の直流端は交流のバスラインである船内母線４（電力系統側）に接続され、且つ、第３電力変換器６ｃの他方の直流端は電力貯蔵装置９に接続される。

図６は、船舶推進システム１００Ａの制御システム７Ａの構成の一例を示すブロック図である。制御システム７Ａは、第１実施形態（図２）と比較すると、リミッタ回路８３の後段に別のリミッタ回路８４を更に備える点が異なる。

リミッタ回路８４は、リミッタ回路８３の出力値である加勢駆動指令を、予め定めた上限値および下限値の範囲内に制限し、これを加勢放電指令として出力するように構成される。つまり、リミッタ回路８４は、入力された加勢駆動指令値が上限値を超えている場合には、この上限値を加勢放電指令として出力する。同様に、リミッタ回路８４は、入力された加勢駆動指令が下限値を超えている場合には、この下限値を加勢放電指令として出力する。本実施形態では上限値は電力貯蔵装置９の定格で定まる値であり、下限値はゼロの値である。

加勢駆動指令を加勢放電指令として与えることで、加勢に必要な電力は、電力貯蔵装置９から優先的に供給することができる。なお、加勢駆動指令および加勢放電指令が与えられる対象は、表２に示すように、システム構成と電力変換装置の制御方式によって異なる。

ここでも電力変換装置６を構成する電力変換器の1つは必ず直流中間部電圧の制御が行われる。これによって、直流中間部６０に流出入する電力差が直流中間部電圧制御を行う電力変換器に吸収される。

本実施形態のように、電力貯蔵装置９および第３電力変換器６ｃを推進システムに追加する場合、電力貯蔵装置９を直流中間部６０に接続する態様（図５（ａ）参照）、電力系統２１に接続する態様（図５（ｂ）参照）の二通りが考えられる。電力系統２１に接続した場合、第３電力変換器６ｃは電力制御またはドループ制御することができる。電力制御された電力変換器は電力系統に授受する電力のみを制御可能であり、単独で系統を維持することはできない。一方で、ドループ制御された電力変換器は発電機と同等に作用し、単独運転も可能である。

［制御方式２－１］
加勢駆動指令を第２電力変換器６ｂに直接与える。このとき、加勢放電指令を第３電力変換器６ｃに与えることで、加勢に必要な電力を電力貯蔵装置９から供給できる。電力貯蔵装置９からすべての電力を供給できない場合には、不足分は第１電力変換器６ａを介して自動的に電力系統２１から供給される。

［制御方式２－２］
加勢駆動指令を第２電力変換器６ｂに直接与える。このとき、必要な電力は第２電力変換器６ｂを介して自動的に電力貯蔵装置９から供給される。電力貯蔵装置９から全ての電力を供給できない場合には、不足分の電力指令を第１電力変換器６ａに与えることで、不足電力を電力系統２１から供給することもできる。

［制御方式２－３］
加勢放電指令を第３電力変換器６ｃに与える。このとき、放電した電力は第２電力変換器６ｂによって自動的に吸収されるため、放電した分だけ電動発電機３が駆動される（主機を加勢する）。電力貯蔵装置９から全ての電力を供給できない場合には、不足分の電力指令を第１電力変換器６ａに与えることで、その分だけ電動発電機３をさらに駆動することができる。

［制御方式２－４，２－５］
制御方式２－４，２－５の違いは、制御方式２－１，２－３で電力貯蔵装置９がないケース（放電指令＝0）と同等なので割愛する。加勢放電指令を第３電力変換器６ｃに与えることで、加勢のために電力変換装置６が必要とする電力を電力貯蔵装置９から供給できる。電力貯蔵装置９から全ての電力を供給できない場合、不足分は自動的に発電機２ｂから供給される。

［制御方式２－６，２－７］
制御方式２－６，２－７の違いは、制御方式２－１，２－３で電力貯蔵装置９がないケース（放電指令＝0）と同等なので割愛する。このケースでは第３電力変換器６ｃは発電機２ｂと連系して運転しているため、加勢のために電力変換装置６が必要とする電力は、互いのドループ特性線にしたがって、発電機２ｂおよび電力貯蔵装置９の両者から供給される。

以上のように、本実施形態によれば、電力貯蔵装置９を備えているので、第１実施形態による効果に加え、電動発電機３の駆動電力の全部または一部を電力貯蔵装置９から放電することができる。とくに、電動発電機３の駆動電力の全部を電力貯蔵装置９から放電する場合においては、電力源２を廃する構成としてもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図７は、第３実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を示す概略図である。本実施形態の船舶推進システム１００Ｂは、第１実施形態（図１）と比較すると、主機の出力の一部を駆動力として電動発電機３を発電動作し、かつ、電力系統側の第１電力変換器６ａをドループ制御する点が異なる。

図８は、船舶推進システム１００Ｂの制御系の構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、制御システム７Ｂは、第１実施形態（図２（ｂ））と比較すると、加減算器８０が、翼角制限開始負荷から負荷上限補正値を減算し、減算した値を発電制限開始負荷とし、かつ、主機出力推定値と発電制限開始負荷との偏差をＰＩＤ処理された出力値を、リミッタ回路８３が、予め定めた上限値および下限値の範囲内に制限し、これを発電量補正指令として出力する点が異なる。

図９のグラフは、船舶推進システム１００Ｂの負荷領域を示している。翼角制限開始負荷と発電制限開始負荷の関係は、図３の翼角制限開始負荷と加勢開始負荷と同様な関係にある。ここで、電力系統側の第１電力変換器６ａはドループ制御される。ドループ特性線の調整によって、発電機２ｂと電動発電機３の負荷分担比率を変え、主機の負荷を低減する。図１０は、ドループ特性線のグラフである。リミッタ回路８３の出力を加勢駆動指令に代わって発電量補正指令としているので（図８参照）、この分だけ発電機（電動発電機３）の発電電力を下げるようドループ特性線を調整する。なお、ドループ特性線の調整は公知の技術であるので、詳細な説明は省略する。制御システム７Ｂは、電力系統側の第１電力変換器６ａをドループ制御し、ドループ特性線の調整によって、発電機２ｂと電動発電機３の負荷分担比率を変え、主機の負荷を低減する。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図１１は、本発明の第４実施形態に係る船舶推進システムのハードウェア構成を概略的に示す図である。本実施形態の船舶推進システム１００Ｃは、第３実施形態（図７）と比較すると、主機の出力の一部を駆動力として電動発電機３を発電動作し、かつ、電力系統側の第１電力変換器６ａをドループ制御する点は共通するが、第３電力変換器６ｃと、第３電力変換器６ｃを介して接続された電力貯蔵装置９とを更に備える点が異なる。

図１１（ａ）では、第３電力変換器６ｃは、電力貯蔵装置９から直流中間部６０に充放電する電力を制御するＤＣ／ＤＣ変換器である。第３電力変換器６ｃの一方の直流端は直流中間部６０に接続され、且つ、第３電力変換器６ｃの他方の直流端は電力貯蔵装置９に接続される。電力貯蔵装置９は、第３電力変換器６ｃの他方の直流端に接続される。電力貯蔵装置９は例えば二次電池、キャパシタで構成される。二次電池としては、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池および鉛蓄電池を用いてもよい。キャパシタとしては、たとえば、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、ナノハイブリッドキャパシタ、カーボンナノチューブキャパシタを用いてもよい。

図１１（ｂ）では、第３電力変換器６ｃは、電力貯蔵装置９から船内母線４に充放電する電力を制御するＡＣ／ＤＣ変換器である。第３電力変換器６ｃの一方の直流端は交流のバスラインである船内母線４（電力系統側）に接続され、且つ、第３電力変換器６ｃの他方の直流端は電力貯蔵装置９に接続される。

図１１（ｃ）では、図１１（ａ）と比較すると、第３電力変換器６ｃの一方の直流端は直流中間部６０に接続され、且つ、第３電力変換器６ｃの他方の直流端は電力貯蔵装置９に接続され、電力貯蔵装置９は、第３電力変換器６ｃの他方の直流端に接続される点は共通するが、原動機２ａと発電機２ｂが回転軸で接続された電力源２を備えていない点が異なる。

図１２は、船舶推進システム１００Ｃの制御システム７Ｃの構成の一例を示すブロック図である。制御システム７Ｃは、第１実施形態（図８）と比較すると、リミッタ回路８３の後段に別のリミッタ回路８４を更に備える点が異なる。

リミッタ回路８４は、リミッタ回路８３の出力値である発電量補正指令を、予め定めた上限値および下限値の範囲内に制限し、これを補正放電指令として出力するように構成される。つまり、リミッタ回路８４は、入力された発電量補正指令値が上限値を超えている場合には、この上限値を補正放電指令として出力する。同様に、リミッタ回路８４は、入力された発電量補正指令値が下限値を超えている場合には、この下限値を補正放電指令として出力する。本実施形態では上限値は電力貯蔵装置９の定格で定まる値であり、下限値はゼロの値である。発電量補正指令を補正放電指令として与えることで、発電に必要な電力は、電力貯蔵装置９から優先的に供給することができる。なお、発電量補正指令および補正放電指令が与えられる対象は、表３に示すように、システム構成と電力変換装置の制御方式によって異なる。

［制御方式３－１］
第１電力変換器６ａは発電機２ｂと連系運転しているため、ドループ特性線の調整によって負荷分担率を制御することができる。通常の状態では、第１電力変換器６ａが電力系統２１に供給している電力分をトルクまたはパワー指令として第２電力変換器６ｂに与え、電動発電機３が発電した電力を系統に供給している。この状況で発電制限がかかった場合、補正放電指令分だけ第２電力変換器６ｂに与えているトルクまたはパワー指令値の大きさを小さくする。このようにすることで、電動発電機３が発電する電力は低減され、低減した分だけ自動的に電力貯蔵装置９から電力供給される。電力貯蔵装置９からの電力で発電量補正分をまかなえない場合、第１電力変換器６ａのドループ特性線を調整することで電動発電機３の発電電力をさらに低減することができる。

［制御方式３－２］
第１電力変換器６ａは発電機２ｂと連系運転しているため、ドループ特性線の調整によって負荷分担率を制御することができる。通常の状態では、第１電力変換器６ａが電力系統に供給している電力は第２電力変換器６ｂを介して自動的に電動発電機３から供給される。この状況で発電制限がかかった場合、補正放電指令を第３電力変換器６ｃに与えれば、電力貯蔵装置９からも系統に電力が供給され、その分だけ自動的に電動発電機３が発電する電力が低減される。電力貯蔵装置９からの電力で発電量補正分をまかなえない場合、第１電力変換器６ａのドループ特性線を調整することで電動発電機３の発電電力をさらに低減することができる。

［制御方式３－３］
第１電力変換器６ａと第２電力変換器６ｂの制御は制御方式3-2と同じであり、電力貯蔵装置９が直流中間部６０に存在しない。このため、ドループ特性線の調整で発電電力の低減が行われる。このとき、発電量補正指令を電力変換器3に与えることで、発電機２ｂが肩代わりするはずの電力を電力貯蔵装置９から供給できる。電力貯蔵装置９からの電力で発電量補正分をまかなえない場合、不足分は自動的に発電機２ｂが担うことになる。

［制御方式３－４］
第１電力変換器６ａと第２電力変換器６ｂの制御は制御方式３－２と同じであり、電力貯蔵装置９が直流中間部６０にないためドループ特性線の調整で発電電力の低減が行われる。第３電力変換器６ｃは発電機（電動発電機３）と連系して運転しているため、電動発電機３の発電電力低下分は、互いのドループ特性線にしたがって発電機２ｂ・電力貯蔵装置９の両者が肩代わりする。このケースでは発電機２ｂと第１電力変換器６ａと第３電力変換器６ｃの３台が連系運転している。(第１電力変換器６ａの)ドループ特性線の調整によって第１電力変換器６ａの発電量を下げ、発電機２ｂと第３電力変換器の電力はそれぞれのドループ特性線にしたがって変化する。とくに、この方式においては、電力源２を廃し、第３電力変換器６ｃを単独運転させる構成としてもよい。

［制御方式３－５，３－６］
制御方式３－１，３－２と基本的に同じであるが、本ケースでは発電機がない。第１電力変換器６ａは単独運転となるため発電電力は電力負荷に応じて成り行きで変化する。発電量補正は電力貯蔵装置からの放電のみでしか行うことができない。

本実施形態によれば、電力貯蔵装置９を備えているので、第３実施形態による効果に加え、電動発電機３の発電電力の低減量の一部または全部を、電力貯蔵装置から供給することができる。

（その他の実施形態）
尚、第１及び第２実施形態の船舶推進システムでは電動発電機３を電動動作させたが、電動発電機３に代えて電動機を備え、これを動作させてもよい。

尚、第３及び第４実施形態の船舶推進システムでは電動発電機３を発電動作させたが、電動発電機３に代えて発電機を備え、これを動作させてもよい。

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、その構造及び機能の一方又は双方の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、可変ピッチプロペラを備えた船舶の推進システムに有用である。

１ 主機
１ａ 主機回転数検出器
２ 電力源
３ 電動発電機
４ 船内母線
５ 可変ピッチプロペラ
５ａ 翼角検出器
６ 電力変換装置
６ａ 第１電力変換器
６ｂ 第２電力変換器
６ｃ 第３電力変換器
７ 制御システム
８ 減速装置
９ 電力貯蔵装置
２１ 電力系統
２１ａ 電力負荷
７０ 加減算器
７１ 回転数制御器
７２ 燃料供給器
７３，７４ 加減算器
７５ 翼角信号演算器
７６ 翼角制限開始負荷設定器
７７ 加減算器
７８ ＡＬＣ制御器
７９ 負荷上限補正値設定器
８０，８１ 加減算器
８２ ＰＩＤ制御器
８３ リミッタ回路
１００ 船舶推進システム

Claims (6)

1. 電力源と、主機と、電動機または電動発電機と、与えられた翼角指令値に従って翼角制御される可変ピッチプロペラと、前記電力源により発電された電力を前記電動機または前記電動発電機に供給する電力変換装置と、制御装置と、を備え、前記主機、前記電動機または前記電動発電機、および、前記可変ピッチプロペラは同じ駆動軸に接続されている、船舶の推進システムの制御方法であって、
   前記主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で前記主機が運転されるように、与えられた前記翼角指令値に対して前記可変ピッチプロペラの翼角を制限することと、
   前記主機の出力が予め定めた加勢開始負荷より大きくなったとき、前記翼角制限に先立って、前記電動機または前記電動発電機による前記主機の加勢を開始し、前記主機の負荷を低減するよう前記電力変換装置を制御することと、
   を含む、船舶の推進システムの制御方法。
2. 前記主機の回転数に対して、前記負荷領域の上限値より小さい所定の値を翼角制限開始負荷として設定し、前記翼角制限開始負荷より小さい所定の値を前記加勢開始負荷として設定することと、
   前記主機の出力が前記翼角制限開始負荷を超過した場合に前記翼角を制限するように与えられた前記翼角指令値を補正することと、
   前記主機の出力が前記加勢開始負荷より大きい値である場合には、前記電動機または前記電動発電機を駆動するよう前記電力変換装置に加勢駆動指令を与えることと、
   前記主機の出力が前記加勢開始負荷より小さい値である場合には、前記電動機または前記電動発電機の駆動を停止するように前記加勢駆動指令をゼロに維持するまたはゼロまで低下させることと、を更に含む、請求項１に記載の船舶の推進システムの制御方法。
3. 前記船舶の推進システムは、前記電力源の全部または一部として、前記電力変換装置の直流部に接続され、または、他の電力変換装置と電力系統を介して前記電力変換装置に接続された電力貯蔵装置を更に備え、
   前記電動機または前記電動発電機の駆動電力の全部または一部を前記電力貯蔵装置から放電するよう制御すること
   を更に含む、請求項１又は２に記載の船舶の推進システムの制御方法。
4. 電力系統と、主機と、発電機または電動発電機と、与えられた翼角指令値に従って翼角制御される可変ピッチプロペラと、前記発電機または前記電動発電機により発電された電力を電力系統に供給可能な電力変換装置と、制御装置と、を備え、前記主機、前記発電機または前記電動発電機、および、前記可変ピッチプロペラは同じ駆動軸に接続されており、前記主機の出力の一部を駆動力として前記発電機または前記電動発電機が運転される、船舶の推進システムの制御方法であって、
   前記主機の回転数および出力に基づいて設定された負荷領域内で前記主機が運転されるように、与えられた前記翼角指令値に対して前記可変ピッチプロペラの翼角を制限することと、
   前記主機の出力が予め定めた発電制限開始負荷より大きくなったとき、前記翼角制限に先立って、前記発電機または前記電動発電機の発電電力を低減し、前記主機の負荷を低減するよう前記電力変換装置を制御することと、
   を含む、船舶の推進システムの制御方法。
5. 前記主機の回転数に対して、前記負荷領域の上限値より小さい所定の値を翼角制限開始負荷として設定し、前記翼角制限開始負荷より小さい所定の値を前記発電制限開始負荷として設定することと、
   前記主機の出力が前記翼角制限開始負荷を超過した場合に前記翼角を制限するように与えられた前記翼角指令値を補正することと、
   前記主機の出力が前記発電制限開始負荷より大きい値である場合には、前記発電機または前記電動発電機の発電電力を低減するように前記電力変換装置に与える発電電力指令から発電量補正指令を減算することと、
   前記主機の出力が、前記発電制限開始負荷より小さい値である場合には、前記発電機または前記電動発電機の発電電力を低減しないように前記発電量補正指令をゼロに維持するまたはゼロまで低下させることと、を更に含む、請求項４に記載の船舶の推進システムの制御方法。
6. 前記船舶の推進システムは、前記電力変換装置の直流部に接続され、または、他の電力変換装置を介して前記電力系統に接続された電力貯蔵装置を更に備え、
   前記発電機または前記電動発電機の発電電力の低減量の全部または一部を前記電力貯蔵装置から放電するよう制御すること
   を更に含む、請求項４又は５に記載の船舶の推進システムの制御方法。

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