JP-2026514607-A - 船舶軸発電システム及び方法

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Abstract

本発明は、船舶軸発電の技術分野に関し、具体的には船舶軸発電システム及び方法であって、パワーモジュールと、軸モータと、周波数変換制御キャビネットと、絶縁変圧器と、船舶発電所と、交流配電盤と、日負荷と、直流列と、チョッパーと、リチウム電池と、を含み、パワーモジュールは、遠隔制御ハンドルに制御された主機関を含み、主機関の出力端には回転軸が固定され、主機関の動作によって回転軸とプロペラを回転させて、船舶の航行を推進する。軸モータは回転軸に取り付けられ、船舶の異なる航行情況下で発電機とモータの切り替えを行うために用いられ、本発明はリチウム電池の充放電をバランスさせて、リチウム電池の耐用年数を向上させると同時に、軸発電システムを様々な情況下で安定的に動作させ、船舶運営の経済性を増加させる。【選択図】図８

Inventors

孫和成
烏雲翔
山高峰
邵詩逸
李▲シン▼

Assignees

中船賽思億（無錫）電気科技有限公司
聚和智慧科技（浙江）有限公司

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20240430
Priority Date: 20240318

Claims (8)

船舶軸発電システムであって、パワーモジュールを有し、前記パワーモジュールは、遠隔制御ハンドルに制御された主機関（１）を含み、主機関（１）の出力端には回転軸（２）が固定され、回転軸（２）の端部にはプロペラ（３）が固定され、回転軸（２）に取り付けられており、船舶の異なる航行状況下で発電機とモーターの切り替えを行うための軸モータ（５）を有し、ｐｌｃコントローラと周波数変換器を含む周波数変換制御キャビネットを有し、ｐｌｃコントローラは、主機関（１）の設定回転数を得るために遠隔制御ハンドルに信号接続されており、周波数変換器は、電圧周波数が固定された交流電圧を提供するためにケーブルを介して軸モータ（５）に接続され、周波数変換器から出力された交流電圧を船舶の日負荷（１２）の許容可能な動作電圧に変換するために、ケーブルを介して周波数変換器に接続された絶縁変圧器（９）を有し、船舶の日負荷（１２）に電力を供給するとともに、余剰電力を利用して直流列にプリチャージ電圧を提供するために、ケーブルを介して絶縁変圧器（９）と交流配電盤（１０）に並列接続された船舶発電所（１１）を有し、ケーブルを介して周波数変換器の直流段に接続された直流列（７）を有し、ケーブルを介して直流列（７）に接続されたチョッパー（１３）を有し、内部には電池管理システムを搭載しており、ケーブルを介してチョッパー（１３）に接続されたリチウム電池（１４）を有し、リチウム電池の電力量を長期的に９０％に維持しながらリチウム電池の実際の電力量を得るために、ｐｌｃコントローラとリチウム電池はバスｃａｎを介して接続され、回転軸（２）と主機関（１）の実際の回転数を検出したうえで、信号をｐｌｃコントローラに送信するために、回転軸（２）に取り付けられた光学式エンコーダー（４）を有し、、光学式エンコーダー（４）からの信号を受信し、さらに主機関（１）の実際の回転数を得るために、ｐｌｃコントローラと光学式エンコーダーはケーブルを介して信号接続され、ｐｌｃコントローラ内には、第１比例積分コントローラと第２比例積分コントローラがさらに設けられ、第１比例積分コントローラは、主機関（１）の設定回転数と実際の回転数との差を入力して得られた出力値をチョッパー（１３）の第１電流設定値とすることで、ｐｌｃコントローラは、リチウム電池（１４）の充電または放電を制御するために使用され、第２比例積分コントローラは、電池の設定電力量と実際の電力量の差を入力して得られた出力値をチョッパー（１３）の第２電流設定値とすることで、ｐｌｃ制御器はチョッパー（１３）電流の微調整を制御するために使用され、チョッパー（１３）の第１電流設定値とチョッパー（１３）の第２電流設定値との和がチョッパー（１３）の電流最終設定値であることを特徴とする船舶軸発電システム。
ｐｌｃコントローラと遠隔制御ハンドルの間はケーブルを介して信号接続され、ｐｌｃコントローラは遠隔制御ハンドルから発信された４ｍＡ～２０ｍＡの信号を受信し、遠隔制御ハンドルに制御された主機関（１）の動作の回転数を得るために使用されることを特徴とする請求項１に記載の船舶軸発電システム。
軸モータ（５）のパワーは６００ＫＷ、軸モータ（５）の回転数は６４ｒｐｍ－８９ｒｐｍ、絶縁変圧器（９）の容量は７５０ＫＶＡであることを特徴とする請求項２に記載の船舶軸発電システム。
周波数変換器は整流器（６）とインバータ（８）を含み、整流器（６）と軸モータ（５）の間はケーブルを介して接続され、インバータ（８）と整流器（６）の間はケーブルを介して接続され、絶縁変圧器（９）とインバータ（８）との間はケーブルを介して接続されていることを特徴とする請求項３に記載の船舶軸発電システム。
軸モータ（５）と整流器（６）の間にはＤｖｄｔフィルタがさらに設けられ、インバータ（８）と絶縁変圧器（９）の間にはＰＷＭフィルタが設けられ、チョッパー（１３）とリチウム電池（１４）との間にはインダクタがさらに設けられていることを特徴とする請求項４に記載の船舶軸発電システム。
軸モータ（５）とＤｖｄｔフィルタ、絶縁変圧器（９）と交流配電盤（１０）、船舶発電所（１１）と交流配電盤（１０）、交流配電盤（１０）と日負荷（１２）、インダクタとリチウム電池（１４）の間にはいずれも回路遮断器が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の船舶軸発電システム。
ｐｌｃコントローラによる主機関（１）の回転数の制御帯域幅を１Ｈｚとし、ｐｌｃコントローラによるリチウム電池（１４）の電力量の制御帯域幅を０．０１Ｈｚとすることを特徴とする請求項６に記載の船舶軸発電システム。
請求項１～７のいずれか１項に記載の軸発電方法であって、まず、主機関（１）に接続されたプロペラ（３）の回転軸（２）に１台の軸モータ（５）を挿通すると同時に、回転軸（２）に光学式エンコーダー（４）を取り付け、主機関（１）の実際の回転数を検出するＳ１と、続いて、ｐｌｃコントローラと周波数変換器を含む周波数変換制御キャビネットを取り付け、ｐｌｃコントローラはケーブルを介して周波数変換器に信号接続された後、ケーブルを介して軸モータ（５）と周波数変換器を接続し、電圧周波数が固定された交流電圧を出力するために使用され、ここで、周波数変換器は整流器（６）とインバータ（８）を含み、軸モータ（５）と整流器（６）の間はケーブルを介して接続され、インバータ（８）と整流器（６）の間はケーブルを介して接続されているＳ２と、周波数変換器から出力された交流電圧を変換し、船舶の日負荷（１２）の使用に適するために、ケーブルを介して絶縁変圧器（９）とインバータ（８）を接続するＳ３と、続いてケーブルを介して絶縁変圧器（９）と船舶発電所（１１）を交流配電盤（１０）に並列接続し、船舶の日負荷（１２）に電力を供給するＳ４と、整流器（６）とインバータ（８）の間の直流段にはケーブルを介して直流列（７）が接続され、船舶発電所（１１）の一部は船舶の日負荷（１２）に電力を供給するために使用され、余剰電力がある場合、船舶発電所（１１）の電流は順次絶縁変圧器（９）とインバータ（８）を通じて直流列（７）と連通し、直流列（７）にプリチャージ電圧を提供し、直流列（７）にはケーブルを介してチョッパー（１３）を接続した後、ケーブルを介してチョッパー（１３）をリチウム電池（１４）に接続し、リチウム電池（１４）内部の回路基板には電池管理システム（ＢＭＳ）が実装されているＳ５と、最後に、インバータの動作を制御するｐｌｃコントローラはデュアルケーブルを介して主機関（１）の動作を制御する遠隔制御ハンドルに信号接続され、遠隔制御ハンドルから４ｍＡ～２０ｍＡの信号を受信し、さらに主機関（１）の設定回転数を得、次に、ケーブルを介してｐｌｃコントローラを光学式エンコーダー（４）に信号接続し、光学式エンコーダー（４）の信号を受信し、さらに主機関（１）の実際の回転数を得、また、ｐｌｃコントローラとリチウム電池（１４）はバスｃａｎを介して接続されており、リチウム電池（１４）の充電電力量を９０％に制御し設定するとともに、リチウム電池（１４）内部の電池管理システム（ＢＭＳ）からの信号を受信し、リチウム電池（１４）の実際の電力量を取得し、最後にｐｌｃコントローラ内部に第１比例積分コントローラと第２比例積分コントローラを設置し、主機関（１）の設定回転数と実際の回転数との差を第１比例積分コントローラに入力して得られた出力値をチョッパー（１３）の第１電流設定値とし、この時プロペラ（３）が軽くなると、主機関（１）の設定回転数が実際の回転数より小さいことを示し、この時ｐｌｃコントローラはリチウム電池（１４）を充電させるように制御し、プロペラ（３）が重くなると、主機関（１）の設定回転数が実際の回転数より大きいことを示し、この時ｐｌｃコントローラはリチウム電池（１４）を放電させるように制御しながら、ｐｌｃコントローラによる主機関（１）の回転数の制御帯域幅を１Ｈｚに設定し、リチウム電池（１４）の設定電力量と実際の電力量の差を第２比例積分コントローラに入力して得られた出力値をチョッパー（１３）の第２電流設定値とし、このとき、リチウム電池（１４）の設定電力量が実際の電力量よりも低い場合、ｐｌｃコントローラはチョッパー（１３）の放電電流を増加させるか、充電電流を低下させるかを制御し、リチウム電池（１４）の設定電力量が実際の電力量よりも高い場合、ｐｌｃコントローラはチョッパー（１３）の充電電流を増加させるか、放電電流を低下させるかを制御しながら、ｐｌｃコントローラによるリチウム電池（１４）の充放電の制御帯域幅を０．０１Ｈｚに設定し、第１電流設定値と第２電流設定値との和がチョッパー（１３）の電流最終設定値とするＳ６と、を含むことを特徴とする軸発電方法。

Description

本発明は、船舶軸発電の技術分野に関し、具体的には、船舶軸発電システム及び方法に関する。従来の船舶電力システムは一般的に２種類の異なるディーゼルエンジンを必要とし、それぞれ主推進のディーゼルエンジンと発電ユニット用ディーゼルエンジンであり、その中で、主推進のディーゼルエンジンは「主機関」（以下、総称して「主機関」という）とも呼ばれ、主機関はプロペラに接続されており、船舶に対して推進作用を果たし、運転状況が異なるため、プロペラの回転数はずっと変化しているため、主機関は変速の場合に動作するのが一般的である。主機関の回転数は操舵室の推進ハンドルの設定値に基づいて応答する。その中で発電ユニットはディーゼルエンジンを一つの発電機に接続し、「発電ユニット」を構成し、船舶発電所のすべての負荷に電力を供給する。一般的には、信頼性などの理由を考慮すると、船舶発電所は３台以上の発電ユニットで構成され、発電ユニットの出力電圧と周波数はほぼ固定されているため、発電ユニット用のディーゼルエンジンは通常、図１に示すように一定の回転数で動作している。実際の作業では、一般的に主機関容量を選択する際に、船舶の性能を保証するために、主機関の容量をプロペラ特性曲線よりも高く選択するだけでなく、一定の余裕を残して、いわゆる「大機小櫂」の特徴が現れ、図２に示すように、主機関容量曲線（異なる回転数で主機関出力電力のエネルギーを指す）からプロペラ機械特性曲線（異なる回転数でプロペラ回転を保証するために必要な電力を指す、あるいは異なる回転数でプロペラが吸収できる機械電力を指す）を減算することで、主機関余裕容量曲線を得ることができる。現在、発電機の使用を減らすために、主機関の余裕な容量を利用して船舶に発電所を提供することを選択している。すなわち、主機関とプロペラの間の主軸に発電機を設置し、この発電機は「軸発電機」と呼ばれ、図３に示すように、軸発電機の出力周波数は軸発電機の回転数に比例し、軸発電機は、主軸及び主機関の回転数と完全に一致しているため、軸発電機の出力周波数は主機関の回転数に比例していると考えることができる、この場合、安定した周波数を得るために、通常は周波数変換制御キャビネットを追加し、軸発電機から出力された交流電力をまず整流器（ＡＣ／ＤＣ）を介して電圧周波数の変化した交流電圧を固定の直流電力に変換し、さらに１つのインバータ（ＤＣ／ＡＣ）を介して固定の直流電圧を電圧周波数の固定した交流電圧に変換し、船舶発電所に電力を供給する。図３に示すように、この周波数変換制御キャビネットは一般に「軸周波数変換器」とも呼ばれる。船舶が航行する時、通常発電ユニットは停止して、大出力軸発電機の出力電圧は通常６４０Ｖで、船舶発電所は一般的に４００Ｖを受け入れて、そのため通常１つの絶縁変圧器を装備して６４０Ｖを４００Ｖに転換する必要があり、軸発電機、軸インバータ、絶縁変圧器を１つの全体と見なし、この全体を「軸発電システム」と呼び、図３に示すように、軸発電システムの使用によって、発電ユニットの使用を減らし、オイル消費量を節約すると同時に、発電ユニットの寿命とメンテナンス周期を延長する。しかし、船舶軸発電システムは使用中、以下の２つの状況に制限され、第１、機－パドル間の出力能力に制限されることである。図４に示すように、一般的にプロペラの機械特性曲線は図４の曲線Ａのように、この時主機関容量は軸発電システムに電力を供給するのに十分な余裕があるが、プロペラの機械特性曲線はずっと変わらないものではなく、船体の抵抗特性に従って変化し、具体的には、通常以下の条件の影響を受け、海況の影響（風、波、流）、海況は船舶の抵抗特性に顕著に影響を与え、通常悪条件の海況はプロペラの機械特性曲線を上昇させ、いわゆる「プロペラが重くなる」こと、積載量の影響、積載量が重いほど、喫水が深くなり、船舶の抵抗が大きくなり、プロペラもそれに応じて重くなること、船体付着物の影響、船舶が徐々に運営されると、船体の水中部分にフジツボのような付着物が付着しやすくなり、これらの付着物も船舶の抵抗を増加させ、プロペラが重くなること、そのため、船舶が重荷重重畳の悪条件の海況に遭遇した場合、プロペラの機械特性曲線は上に移動し、図４中の曲線Ａから曲線Ｂ、Ｃ、Ｄに移動する。プロペラが曲線Ｂで動作すると、機－パドル間の余裕な容量が低下しながら、回転数が低下するにつれて、主機関の余裕な容量が急激に低下し、最高回転数では、主機関の容量曲線とプロペラの機械特性曲線がｂに交差し、この時主機関は軸システムの発電を提供する余裕がない。プロペラが曲線ＣまたはＤで動作する場合、主機関の容量曲線とプロペラの機械特性曲線はそれぞれｃまたはｄに交差し、この時主機関はプロペラを最高回転数で動作させることができず、速度を下げて動作しなければならない。船舶の航行速度がプロペラの回転数にほぼ比例することを考慮すると、軸発電システムを使用できないだけでなく、船の速度も大幅に低下し、船舶の経済性が著しく低下し、この時はいわゆる「小機大櫂」の状況になった。第２、不安定な海況に制限されること。船舶が不安定な海況下で運行している時、プロペラの機械特性曲線は変動している。特に船舶の空荷運転時には、船舶の喫水が浅く、不安定な海況条件下では、船舶のプロペラはたまに部分的に海面（「プロペラ水中露出」ともいう）より高くなる可能性があり、すなわちたまに全浸漬に達することができない、プロペラが水中を露出と、プロペラの機械特性曲線が軽くなり、プロペラが水に入ると、プロペラの機械特性曲線が重くなり、プロペラ特性曲線は重さと軽さの間で繰り返し変化し、電力概略図は図５を参照して、プロペラの機械特性曲線が不安定な場合、最終的には主機関の負荷の頻繁な変化し、この時主機関の制御ハンドルが移動していなくても、負荷が軽くなる本体の回転数が上昇し、本体の調速機がスロットルを小さくする、負荷が重くなると、本体の回転数が低下し、その際に本体の調速機がスロットルを増大させる。安定したプロペラ負荷を決定するのは現実的ではないが、スロットルの調整により、海況を安定させる条件下で、主機関の調速機により、本体の回転数を安定的な範囲内に制御することができる。典型的な主機関の回転数運転の曲線は図６を参照して、本体の回転数は８３ｒｐｍ～８６ｒｐｍの間で変動し、変動範囲は３ｒｐｍだけであり、この時に本体の回転数を安定的で効率的に制御している。しかし対照的に、不安定な海況が発生した後、主機関の負荷に激しい変動が発生したため、主機関のスロットルの調節速度は負荷の急速な変化に適応しにくいため、繰り返し調節しても回転数は依然として平衡の状態に達することができず、典型的な不安定な海況の主機関の回転数波形は図７を参照して、約１ｍｉｎの時間内で、主機関の回転数は７６ｒｐｍから９４ｒｐｍまで変動し、約１０個のピークが現れ、このような激しい変動は軸発電システムの安定性に影響するだけでなく、スロットルの繰り返し調節による不十分な燃焼は、排出と燃費を増加させた。そのため、上記のような制約を克服して、軸発電システムを安定的に使用することができるとともに、プロペラ負荷による主機関スロットルの変化をバランスさせ、船舶運営の経済性を高めるための船舶軸発電システム及びその発電方法の設計が必要である。本発明の実施形態または先行技術における技術的態様をより明確に説明するために、以下に実施形態または先行技術の説明において使用する必要がある図面を簡単に説明する。明らかに、以下の説明における図面は本発明のいくつかの実施形態であり、技術分野の一般技術者にとっては、創造的な労働を払わずに、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができる。本発明に係る既存の船舶動力システムの概略図である。既存の船舶動力システムにおける主機関の余裕な容量を反映したグラフである。既存の船舶動力システムにおける軸発電システムの概略図である。既存の船舶軸発電システムが機－パドル間の出力能力に制限された場合のプロペラ機械特性曲線概略図である。既存の船舶軸発電システムが不安定な海況を受けた場合の電力概略図である。既存の船舶軸発電システムにおける代表的な主機関回転数運転曲線概略図である。既存の船舶軸発電システムにおいて不安定な海況を受けた場合の代表的な主機関回転数波形概略図である。本発明の軸発電概略図である。本発明におけるチョッパーの電流最終設定値の計算原理概略図である。本発明の制御フローの概略図である。本発明におけるリチウム電池パック、チョッパー及び直流列の回路概略図である。本発明における軸モータ、整流器及び直流列の回路概略図である。本発明における直流列、インバータ、絶縁変圧器、交流配電盤及び日負荷の回路概略図である。以下、本発明の実施形態に関連して、本発明の実施形態における技術的態様を明確に、完全に説明する。明らかに、説明された実施形態は本発明の一部の実施形態にすぎず、すべての実施形態ではない。本発明における実施例に基づいて、当業者が創造的な労働を行うことなく取得した他のすべての実施例は、本発明の保護の範囲に属する。本発明は以下の実施例を提供し、図１～１３を参照して、船舶軸発電システムであって、パワーモジュールと、軸モータと、周波数変換制御キャビネットと、絶縁変圧器９と、交流配電盤１０と、船舶発電所１１と、日負荷１２と、を含み、図１、図３、図５、図８及び図１０を参照して分かるように、パワーモジュールは、主機関１と、回転軸２と、プロペラ３と、を含み、主機関１は船室内のスタッフが遠隔制御ハンドルを用いて動作を制御し、遠隔制御ハンドルと主機関１との間はケーブルを介して接続され、主機関１が動作すると、回転軸２とプロペラ３が回転し、推力が発生し、船舶の航行を推進する。図３、図５、図８及び図１０を参照して分かるように、回転軸２には軸モータ５が取り付けられ、軸モータ５はケーブルを介して回路遮断器が接続され、回路遮断器はケーブルを介してＤｖｄｔフィルタに接続され、Ｄｖｄｔフィルタと整流器６の間はケーブルを介して接続され、整流器６はケーブルを介してインバータ８に接続され、インバータ８はケーブルを介してＰＷＭフィルタに接続され、ＰＷＭフィルタはケーブルを介して絶縁変圧器９に接続され、絶縁変圧器９はケーブルを介して船舶発電所１１と交流配電板１０に並列接続され、船舶の日負荷１２に電力を供給する。ここで、絶縁変圧器９と交流配電板１０との間に回路遮断器が設けられ、船舶発電所１１と交流配電板１０との間にも回路遮断器が設けられ、交流配電盤１０と日負荷１２との間にも回路遮断器が設けられている。ここで、軸モータ５は、回転部と固定部との２つの部分からなり、回転部分を「回転子」と呼び、固定部分を「固定子」と呼び、その中で軸モータ５の「回転子」は回転軸２に固定され、軸モータ５の「固定子」は船体に固定され、軸モータ５は回転軸２の回転を通じて、「回転子」を回転させ、それによって機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、電流を出力し、回路遮断器とＤｖｄｔフィルタを経て整流器６に流れ、電流を直流に変換し、その中でＤｖｄｔフィルタによって周波数変換器の出力電圧の上昇速度を制限し、発電機の巻線絶縁体を保護することができる。整流器６に変換された直流電流はインバータ８に達し、直流電流を交流電流に再変換し、この時、交流電流はＰＷＭフィルタを経て絶縁変圧器９に流れ、