JP2001061230A - 電力制御システム及び電力制御方法 - Google Patents

電力制御システム及び電力制御方法

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JP2001061230A
JP2001061230A JP2000220675A JP2000220675A JP2001061230A JP 2001061230 A JP2001061230 A JP 2001061230A JP 2000220675 A JP2000220675 A JP 2000220675A JP 2000220675 A JP2000220675 A JP 2000220675A JP 2001061230 A JP2001061230 A JP 2001061230A
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ビー．ワックノフ ジョエル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 公共送配電系統に接続されたほとんどの電力
計において負荷消費量を測定するために必要な電力計
が、接続されたターボ発電機電力制御器へフィードバッ
クを与えるために用いられ、ピークカット、負荷追従、
無効電力制御、逆流保護、ターボ発電機計画運転の負荷
分析のための制御システムを提供する。 【解決手段】 この制御システムは、ピークカット動作
のためには単純な離散信号を用い、負荷追従や、デジタ
ル電力計からのマイクロプロセッサベースのシリアル入
力に基づく負荷プロフィール分析および計画運転に対し
ては、より複雑なパルス信号を用いて動作する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ発電機電力
制御に関し、特に、その方法ならびにターボ発電機およ
び電力制御器を需給電力計(utility power meter)に組
み合わせて用い、公共送配電系統(utility grid)に接続
または併設されて負荷制御と、ピークカット(peak shav
ing)と、負荷追従と、無効電力(reactive power)制御を
提供するシステムの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】公共送配電系統関連の用途の大半におい
ては、建物などの利用対象（利用例）内の負荷消費量
（またはターボ発電機システムが設置される場合には発
生量）を測定する需給電力計が必要である。この電力計
は、ターボ発電機電力制御器にフィードバックを与え
る。建物等の利用対象が電力を要求した場合、電力制御
器は需要を満たすようにターボ発電機をシーケンス制御
する。建物における負荷管理は、複雑度を変えて行うこ
とができる。最も単純な利用対象すなわち設備は、総負
荷消費量を需給電力計によって測定し、ターボ発電機負
荷をオン（最大電力）またはオフに切り換える場合であ
る。通常、このような利用については、電力計は建物内
の総負荷消費量を測定する。負荷があらかじめ定められ
た限界を超過すると、ターボ発電機は最大電力に切り換
えられる。この制御方法は給電制御(load dispatch con
trol)と一般に呼ばれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】給電制御モードにおけ
る過渡負荷は、システム全体の出力に大きな影響を与え
る。負荷の突然の減少により、ターボ発電機エネルギー
が散逸するまで、短時間のあいだ、システムが公共送配
電系統に対して逆行して給電する事態が生ずる。負荷の
急速な増加により、ターボ発電機の電力出力が増加する
まで、短時間のあいだ、公共送配電系統が電力供給を行
う必要が生じる。
【０００４】このような電力需要の不断の変化は、ター
ボ発電機システムの運転効率を著しく低下させるととも
に、運動コストを増加させることになる。
【０００５】本発明の課題は、負荷需要の変化に応える
ためにエンジンとしてのターボ発電機を絶え間なく加速
・減速することを防止できるターボ発電機電力制御シス
テムを提供することにある。
【０００６】本発明のもう一つの課題は、負荷需要の変
化に応えるためにエンジンとしてのターボ発電機を絶え
間なく加速・減速することを防止できるターボ発電機電
力制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様によ
れば、電力計および負荷を有する公共送配電系統に動作
的に接続され、電力制御システムにおいて、少なくとも
１つのターボ発電機と、前記少なくとも１つのターボ発
電機および前記公共送配電系統の前記電力計に動作的に
接続された制御器とを有し、前記制御器は負荷制御動作
モードと、負荷追従動作モードと、ピークカット(peak
shaving)動作モードのいずれかを選択する手段を備えた
ことを特徴とする電力制御システムが得られる。
【０００８】本発明の第２の態様によれば、上記第１の
態様による電力制御システムにおいて、前記電力制御器
は、有効電力(real power)と前記負荷の無効電力(react
ivepower)を調節する手段をさらに含むことを特徴とす
る電力制御システムが得られる。
【０００９】本発明の第３の態様によれば、上記第１の
態様による電力制御システムにおいて、前記制御器は、
前記少なくとも１つのターボ発電機の計画運転のための
長期負荷プロフィールを監視する手段をさらに含むこと
を特徴とする電力制御システムが得られる。
【００１０】本発明の第４の態様によれば、公共送配電
系統および負荷に動作的に接続された電力制御システム
において、前記公共送配電系統に動作的に接続された電
力計と、前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負
荷に動作的に接続された、各々が制御器を有する複数の
ターボ発電機とを有し、前記電力計は、給電離散信号(p
ower dispatch discrete signal)および逆電力離散信号
(reverse power discrete signal)を前記複数のターボ
発電機制御器の各々に供給することを特徴とする電力制
御システムが得られる。
【００１１】本発明の第５の態様によれば、公共送配電
系統および負荷に動作的に接続された電力制御システム
において、前記公共送配電系統に動作的に接続された電
力計と、前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負
荷に動作的に接続され、各々が制御器を有する複数のタ
ーボ発電機とを有し、前記電力計は、個別の給電離散信
号(separate power dispatch discrete signal)および
個別の逆電力離散信号(separate reverse power discre
te signal)を前記複数のターボ発電機制御器の各々に供
給することを特徴とする電力制御システムが得られる。
【００１２】本発明の第６の態様によれば、公共送配電
系統および負荷に動作的に接続された電力制御システム
において、前記公共送配電系統に動作的に接続された電
力計と、前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負
荷に動作的に接続され、各々が制御器を含んでいる少な
くとも１つのターボ発電機とを有し、前記電力計は、複
数のアナログパルス入力信号を前記少なくとも１つのタ
ーボ発電機制御器の各々に供給することを特徴とする電
力制御システムが得られる。
【００１３】本発明の第７の態様によれば、上記第６の
態様による電力制御システムにおいて、前記複数のアナ
ログパルス入力信号は、有効電力正方向信号と、有効電
力負方向信号と、正の無効電力信号と、負の無効電力信
号を含むことを特徴する電力制御システムが得られる。
【００１４】本発明の第８の態様によれば、上記第６の
態様による電力制御システムにおいて、前記電力計は有
効電力フィードバック信号および無効電力フィードバッ
ク信号を供給することを特徴する電力制御システムが得
られる。
【００１５】本発明の第９の態様によれば、上記第８の
態様による電力制御システムにおいて、有効電力フィー
ドバック信号を公共電力負荷有効需要信号(utility loa
d real demand signal)と比較する第１の比較器と、前
記無効電力フィードバック信号を公共電力負荷無効需要
信号(utility load reactive demand signal)と比較す
る第２の比較器とをさらに有することを特徴とする電力
制御システムが得られる。
【００１６】本発明の第１０の態様によれば、上記第９
の態様による電力制御システムにおいて、前記第１の比
較器に動作的に接続され、前記第１の比較器からの比較
結果信号を時間平均化する手段と、前記第２の比較器に
動作的に接続され、前記第２の比較器からの比較結果信
号を時間平均化する手段とをさらに有することを特徴と
する電力制御システムが得られる。
【００１７】本発明の第１１の態様によれば、上記第６
の態様による電力制御システムにおいて、前記電力計
は、逆電力流(reverse power flow)を防止することを特
徴とする電力制御システムが得られる。
【００１８】本発明の第１２の態様によれば、上記第６
の態様による電力制御システムにおいて、前記少なくと
も１つのターボ発電機制御器は、前記電力計からの有効
および無効電力を測定し、前記無効電力を調整すること
を特徴とする電力制御システムが得られる。
【００１９】本発明の第１３の態様によれば、上記第６
の態様による電力制御システムにおいて、前記少なくと
も１つのターボ発電機制御器は、前記電力計からの有効
および無効電力を測定し、前記無効電力をゼロにするこ
とを特徴とする電力制御システムが得られる。
【００２０】本発明の第１４の態様によれば、公共送配
電系統および負荷に動作的に結合された電力制御システ
ムにおいて、前記公共送配電系統に動作的に結合された
電力計と、前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記
負荷に動作的に接続され、各々が制御器を有する複数の
ターボ発電機であって、少なくとも１つが主ターボ発電
機であり、残りが前記主ターボ発電機に従属する複数の
ターボ発電機とを有し、前記電力計は、デジタルシリア
ル通信を、前記主ターボ発電機に与え、前記主ターボ発
電機が前記従ターボ発電機に命令することを特徴とする
電力制御システムが得られる。
【００２１】本発明の第１５の態様によれば、上記第１
４の態様による電力制御システムにおいて、前記電力計
は、有効および無効電力の両方を測定することを特徴と
する電力制御システムが得られる。
【００２２】本発明の第１６の態様によれば、上記第１
４の態様による電力制御システムにおいて、前記電力計
は、前記主ターボ発電機制御器がオフの間、蓄積電力を
測定することを特徴とする電力制御システムが得られ
る。
【００２３】本発明の第１７の態様によれば、公共送配
電系統と、少なくとも１つのターボ発電機と、負荷の間
の電力を制御する電力制御方法において、前記公共送配
電系統に接続された電力計を設けるステップと、負荷制
御動作モードと、負荷追従動作モードと、ピークカット
動作モードのいずれかを選択するステップとを有するこ
とを特徴とする電力制御方法が得られる。
【００２４】本発明の第１８の態様によれば、公共送配
電系統と、複数のターボ発電機と、負荷の間の電力を制
御する電力制御方法において、前記公共送配電系統に接
続された電力計を設けるステップと、給電離散信号およ
び逆電力離散信号を前記電力計から前記複数のターボ発
電機の各々へ供給するステップとを有することを特徴と
する電力制御方法が得られる。
【００２５】本発明の第１９の態様によれば、公共送配
電系統と、複数のターボ発電機と、負荷の間の電力を制
御する電力制御方法において、前記公共送配電系統に接
続された電力計を設けるステップと、個別の給電離散信
号および個別の逆電力離散信号を前記電力計から前記複
数のターボ発電機の各々へ供給するステップとを有する
ことを特徴とする電力制御方法が得られる。
【００２６】本発明の第２０の態様によれば、公共送配
電系統と、少なくとも１つのターボ発電機と、負荷の間
の電力を制御する電力制御方法において、前記公共送配
電系統に接続された電力計を設けるステップと、複数の
アナログパルス入力信号を前記電力計から前記少なくと
も１つのターボ発電機の各々へ供給するステップとを有
することを特徴とする電力制御方法が得られる。
【００２７】本発明の第２１の態様によれば、公共送配
電系統と、複数のターボ発電機と、負荷の間の電力を制
御する電力制御方法において、前記公共送配電系統に接
続された電力計を設けるステップと、前記複数のターボ
発電機の１つを主ターボ発電機とし、残りを前記主ター
ボ発電機に従属する従ターボ発電機として設定するステ
ップと、デジタルシリアル通信を前記電力計から前記主
ターボ発電機に与えるステップとを有することを特徴と
する電力制御方法が得られる。
【００２８】即ち、本発明のターボ発電機電力制御シス
テムおよび方法は、負荷需要の変化に応えるためにエン
ジンを絶え間なく加速・減速することを防止するため、
電力使用量(utility rate)計画に基づく電力出力を変化
させる制御式をとり入れている。例えば、使用量が１５
分間にわたるピーク電力消費量に基づいている場合、シ
ステムは、その期間にわたる建物負荷を満足するように
プログラムされる。このような時間平均化負荷追従設定
により、制御システムは、加速度や減速度を低下あるい
は制限することができ、さらに、ターボ発電機の起動・
停止を減らすことができ、システムの全体効率が上が
る。
【００２９】本発明は、次の（１）〜（５）のためにタ
ーボ発電機を使用する。（１）負荷制御：離散制御信号
が、負荷管理のためにターボ発電機電力制御器によって
与えられる。（２）負荷追従：建物等の利用対象におけ
る総電力消費量を両方向電力計により測定し、ターボ発
電機システムを、需要に合わせ需要を満足するように制
御する。（３）ピークカット（平準化）：建物等の利用
対象における総電力消費量を電力計により測定し、ター
ボ発電機システムによって公共電力消費量を固定負荷値
に減少させ、これにより、計画電力使用量を減少させる
と共に、ターボ発電機の総合的な経済的利益を上昇させ
る。（４）総電力消費量を減じるために、建物すなわち
負荷の有効電力および無効電力を規制する。（５）ター
ボ発電機システムの計画運転のための長期負荷プロフィ
ールを監視するための、マイクロプロセッサ式デジタル
電力計を利用する。
【００３０】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施例について図面
を参照して説明する。
【００３１】永久磁石型ターボ発電機／原動機１０を、
本発明の電力制御システムに用いられるターボ発電機／
原動機の例として、図１に示す。永久磁石型ターボ発電
機／原動機１０は、一般に、永久磁石発電機１２と、出
力ヘッド１３と、燃焼器１４と、復熱装置（即ち熱交換
器）１５を有している。
【００３２】永久磁石発電機１２は、永久磁石を内蔵し
た永久磁石ロータまたはスリーブ１６を有し、これは一
対の離間したジャーナルベアリングにより永久磁石原動
機ステータ１８内部に回転可能に支持されている。放射
状ステータ冷却フィン２５が外側円筒スリーブ２７内に
収容され、環状空気流通路を構成している。この空気流
通路は、ステータ１８を冷却し、これにより、出力ヘッ
ド１３に向かう途中で通過する空気を予熱する。
【００３３】永久磁石型ターボ発電機／原動機１０の出
力ヘッド１３は、圧縮機３０と、タービン３１と、およ
びベアリングロータ３６を有し、このベアリングロータ
３６には、タイロッド２９が通過している。圧縮機３０
は、永久磁石原動機ステータ１８の周りの円筒スリーブ
２７内の環状空気流通路から予熱された空気を受ける圧
縮機インペラまたはホイール３２を備え、タービン３１
により駆動される。このタービン３１は、復熱装置１５
から空気を供給される燃焼器１４からの加熱された排出
ガスを受けるタービンホイール３３を有している。圧縮
機ホイール３２およびタービンホイール３３は、放射状
に延在するベアリングロータスラストディスク３７を備
えるベアリングシャフトまたはロータ３６により回転可
能に支持されている。
【００３４】ベアリングロータ３６は、中央ベアリング
ハウジング内の一つのジャーナルベアリングにより回転
可能に支持され、ベアリングロータ３６の圧縮機端のベ
アリングロータスラストディスク３７は、双方向スラス
トベアリングにより回転可能に支持されている。ベアリ
ングロータスラストディスク３７は、中央ベアリングハ
ウジングの圧縮機端のスラスト面に隣接し、ベアリング
スラストプレートが、この中央ハウジングスラスト面に
関してベアリングロータスラストディスク３７の反対側
に配置されている。
【００３５】取入空気は、圧縮機３０により永久磁石発
電機１２中に吸引され、圧縮機３０は、空気の圧力を増
加させ、復熱器１５内に空気を送り込む。復熱器１５に
おいて、タービン３１からの排出熱は、燃焼器１４に入
る前に空気を予熱するために用いられ、燃焼器１４で
は、予熱された空気を燃料と混合して燃焼させる。燃焼
ガスは、次いで、タービン３１内で膨脹され、タービン
３１は、圧縮機３０ならびにタービンホイール３３と同
軸上に搭載された永久磁石型発電機１２の永久磁石ロー
タ１６を駆動する。膨脹させたタービン排出ガスは、次
いで、ターボ発電機／原動機１０から排出される前に、
復熱器１５を通過させられる。
【００３６】このシステムは、定常状態タービン排気温
限界値を有し、ターボ発電機は、ほとんどの速度条件に
おいてこの限界値で動作し、システム効率を最大化す
る。エンジンサージを回避するため、周囲温度が低けれ
ば、このタービン排気温限界値を低下させる。
【００３７】図２を参照して、例えばデジタル式の電力
制御器４０は、分配発電型電力ネットワークシステムを
提供している。このシステムでは、両方向（すなわち再
構成可能）出力コンバータが共通ＤＣバス５４とともに
用いられ、１つ以上のエネルギー要素間の互換性を可能
としている。各出力コンバータは、基本的に、電力制御
器４０の制御下で、ＤＣバス５４へ、特定のエネルギー
要素用のインターフェースを与えるように構成されたカ
スタマイズされた両方向切り替えコンバータとして動作
する。電力制御器４０は、各エネルギー要素が随時電力
を下げたり提供したりする方法およびＤＣバス５４を調
整する方法を制御する。このようにして、種々のエネル
ギー要素を、電力を効率的に供給、蓄積および／または
使用するために用いることができる。
【００３８】図２に示すように、エネルギー要素には、
ターボ発電機１０などのエネルギー源４２と、公共電源
／負荷４８と、バッテリなどの蓄電装置５０が含まれ
る。図２の電力制御器４０内の電力コンバータ４４の詳
細なブロック図を図３に示す。エネルギー源４２は、電
力コンバータ４４を介してＤＣバス５４に接続されてい
る。エネルギー源４２は、電力コンバータ４４に印加さ
れるＡＣ（交流電流）を発電する。ＤＣバス５４は、電
力コンバータ４４を公共電源／負荷４８および別のエネ
ルギー要素６６に接続している。電力コンバータ４４
は、入力フィルタ５６と、電力切り替えシステム５８
と、出力フィルタ６４と、信号プロセッサ６０と、主Ｃ
ＰＵ（中央処理装置）６２を備えている。
【００３９】動作において、エネルギー源４２は、電力
コンバータ４４内の入力フィルタ５６にＡＣを印加す
る。フィルタを通過したＡＣは、次いで、電力切り替え
システム５８に印加される。電力切り替えシステム５８
は、主ＣＰＵ６２により制御される信号プロセッサ６０
の制御下で動作する一連の絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチであることが好ましい。電
力切り替えシステム５８の出力は、出力フィルタ６４に
印加され、出力フィルタ６４は、フィルタを通過したＤ
ＣをＤＣバス５４に印加する。
【００４０】各出力コンバータ４４、４６、および５２
は、基本的に、主ＣＰＵ６２の制御下で、カスタマイズ
された両方向切り替えコンバータとして動作し、その動
作を行うために信号プロセッサ６０を用いている。主Ｃ
ＰＵ６２は、局所的な制御と、分散処理システムを構成
するために十分なインテリジェンスを提供する。各電力
コンバータ４４、４６、５２は、特定のエネルギー要素
用のインターフェースをＤＣバス５４に与えるように設
定される。主ＣＰＵ６２は、随時、各エネルギー構成要
素４２、４８、５０が電力を下げたり提供したりする、
およびＤＣバス５４を調節する方法を制御する。特に、
主ＣＰＵ６２は、出力コンバータ４４、４６、５２を、
異なる動作モード用の、異なる構成に再構成する。この
ようにして、各種エネルギー要素４２、４８、５０を、
電力の供給、蓄積および／または使用に効率的に用いる
ことができる。
【００４１】エネルギー源４２としてターボ発電機１０
を用いる場合、従来のシステムは出力あるいはバス電圧
を制御するために、タービン速度を調節していた。電力
制御器４０において、両方向制御器は、バス電圧を調整
するために、タービン速度とは独立して機能している。
【００４２】図２は、星型ネットワークの中央にＤＣバ
ス５４を配したシステム形態の概略を示している。一般
に、エネルギー源４２は、通常の電力発生モードの間、
電力を、電力コンバータ４４を介してＤＣバスに供給す
る。同様に、電力発生中に、電力コンバータ４６は、Ｄ
Ｃバス５４上の電力を、公共電源／負荷４８に必要され
る形態に変換する。公共電源が起動中、電力コンバータ
４４および４６は、主プロセッサにより制御され、異な
る方式で動作する。例えば、エネルギーがターボ発電機
１０を始動させるために必要な場合、このエネルギーは
公共電源／負荷４８から（公共電源起動）、または、エ
ネルギー源５０（バッテリ起動）から得られる。公共電
源の始動中、電力コンバータ４６は、電力を負荷４８か
らＤＣバスへ印加する必要がある。この電力は、電力コ
ンバータ４４により、ターボ発電機１０が始動するため
に必要な電力に変換される。公共電源始動の間、ターボ
発電機１０は、ローカルフィードバックッループ内にお
いて制御され、毎分のタービン回転数（ＲＰＭ）を維持
する。エネルギー蓄積器すなわちバッテリ５０がＤＣバ
スから切り離され、負荷／送配電系統は、ＤＣバス５４
上のＶＤＣを調節する。
【００４３】同様に、バッテリ起動において、ＤＣバス
５４に印加され、ターボ発電機１０を始動する電力は、
エネルギー蓄積器５０から供給してもよい。エネルギー
蓄積器５０は、電力コンバータ５２内に、自身の電力変
換回路を有しており、これは、ＤＣバス５４コンデンサ
へのサージ電流を制限し、ターボ発電機１０を始動する
ために十分な電力がＤＣバス５４に流れるようにしてい
る。特に、電力コンバータ５６は、ＤＣバス５４を切り
離して、電力コンバータ４４がＤＣバス５４からターボ
発電機１０へ、必要な起動電力を供給できるようにして
いる。
【００４４】電力制御器のより詳細な説明は、Ｍａｒｋ
Ｇ．Ｇｉｌｂｒｅｔｈらによる「電力制御器」と題す
る１９９８年１２月８日出願のアメリカ合衆国特許出願
第２０７８１７号に述べられている。この出願は、本件
出願と同じ出願人に譲渡され、本明細書中にも参照とし
て組み込まれる。
【００４５】ターボ発電機を用いた建物内の負荷管理に
関して、２段階の複雑度が存在する。（１）給電制御：
ターボ発電機は（ａ）運転停止しているか、または
（ｂ）最大電力で動作している。（２）負荷追従または
ピークカット：ターボ発電機は、電力出力をたえず変化
させて一定の公共電力出力を維持する。
【００４６】（１）の給電制御の場合、需給電力計は、
特定の建物負荷需要を超過すると、離散信号をターボ発
電機に送信するようにプログラムされる。この同じ信号
は、ひとつのターボ発電機または複数のターボ発電機へ
送信される。この単純な制御方式においては、離散信号
は、ターボ発電機に対し、オンならば最大出力にするよ
うに、オフの場合には停止するようにターボ発電機に命
令し、ターボ発電機が常にピーク効率で稼働することを
保証している。
【００４７】ほとんどの設備において、公共電源と消費
者との間の契約は、いかなるときもターボ発電機が逆に
給電すなわち送配電系統に電力を供給してはならないと
規定している。したがって、公共電源への逆流を防ぐた
めに電力計からの逆電力検出信号が必要である。
【００４８】図４は、ピークカット動作モードのブロッ
ク図である。需給電力計７０は、離散信号７１および逆
電力離散信号７３を電力制御器／ターボ発電機７２と７
４の双方に送る。
【００４９】可変ピークカット動作を図５のブロック図
に示す。可変ピークカット動作モードにおいては、需給
電力計７０は、独立した離散信号７６および７７に加え
て、独立した逆電力離散信号７８および７９を、電力制
御器／ターボ発電機７２と７４にそれぞれ送る。可変ピ
ークカット動作は、複数の電力制御器／ターボ発電機電
力出力の離散レベルを提供し、個々の独立ターボ発電機
に送られる電力設定点の変化を可能とし、これにより、
段階的負荷印加を提供することができる。ピークカット
動作モードにおいて、需給電力計７０は、負荷管理信号
を供給する。
【００５０】図４および５の両方において、電力制御器
／ターボ発電機の数は２つのみ、すなわち７２と７４の
場合を例として示している。ここで、本発明は１つ以上
のいかなる数の電力制御器／ターボ発電機を設けた場合
にも等しく適用可能であることは、言うまでもない。図
８〜１０に示す負荷追従動作モードについても同様であ
る。
【００５１】図６は、有効電力正方向８２および負方向
８３についてのパルス信号入力を電力制御器／ターボ発
電機８０に供給する需給電力計８６を用いた負荷追従動
作モードのブロック図である。さらに、正の無効電力信
号８４および負の無効電力出力信号８５が、電力制御器
／ターボ発電機８０に供給される。これは、負荷追従能
力に加え無効力制御を提供する。負の電力パルスが制御
器により検出された場合、ターボ発電機は、ただちに停
止し、逆電力に対する保護を供給する。
【００５２】負荷追従動作モードを、電力制御器／ター
ボ発電機に対するシリアル通信入力とともに図７のブロ
ック図に示す。この構成では、需給電力計８６はデジタ
ルシリアル通信８７を電力制御器／ターボ発電機８８に
供給し、電力制御器／ターボ発電機８８は、主電力制御
器／ターボ発電機として機能し、電力計８６からのシリ
アル入力８７を処理し、従電力制御器／ターボ発電機８
９および９０に命令して内部バスデジタル通信を介して
電力をシーケンス制御し調整する。シリアル通信は、有
効電力と無効電力の両方を測定するが、電力制御器がオ
フの間は、蓄積電力を測定するための蓄積能力をも提供
する。
【００５３】図８は、負荷追従動作のための制御システ
ム動作のブロック図である。公共電源需要信号９１は、
比較器９４において、電力計９３からの有効電力フィー
ドバック信号９２と比較される。需要比較信号９５は、
サンプル平均化器９６において時間平均化され、サンプ
ル平均化器９６は、時間平均化信号９７を最小電力制限
給電ヒステリシスバンド制御部９８に供給する。制御部
９８は、有効電力需要信号９９および無効電力需要信号
１００を、電力制御器／ターボ発電機１０１に供給す
る。電力制御器／ターボ発電機１０１からの電力１０２
は、比較器１０４において建物負荷１０３と比較され、
比較器１０４は、信号１０５を電力計９３に供給する。
先に説明したように、電力計９３からの有効電力信号
は、比較器にフィードバックされる。
【００５４】電力計９３からの無効電力信号１０６は、
比較器１０７にフィードバックされ、比較器１０７で、
公共電源負荷無効需要１０８と比較される。無効電力比
較信号１０９は、サンプル平均化器１１０において時間
平均化される。無効電力時間平均化信号１１１は、最小
電力制限給電ヒステリシスバンド制御部９８に供給され
る。
【００５５】公共電力設定点は、負荷追従モードが選択
された場合に、システムを調節する公共電力引き出し(d
raw)をユーザが指定することを可能にする。正および負
の両方調整は、公共電力消費量または発生量を一定にす
ることを可能とする。タービン電力需要は、下記の式を
用いて計算される。負荷追従モードにおいて、このシス
テムは、タービン電力需要が最小電力遮断限界を超過し
た場合に活性化される。
【００５６】 タービン電力需要＝公共電力設定点−公共電力測定値 （１） ターボ発電機性能を向上させ、過渡的建物に対する応答
を制限するために、需給電力計からの入力電力需要を時
間平均化し、消費者により調整可能とする。この特徴
は、先に説明した逆電力保護特性には該当しない。
【００５７】ピークカットおよび負荷追従の両方の動作
モードについて、メータ１１０が図９に示すように配置
される。メータ１１０は、公共電力信号１１２を受信
し、通信信号１２０を制御器／ターボ発電機１１３に供
給する。制御器／ターボ発電機１１３は、ターボ発電機
発電電力１１１を建物負荷１１４に供給する。図１０に
示すように、給電制御動作モードにおいては、メータ１
１０は、制御器／ターボ発電機１１３からのターボ発電
機発電電力１１１と、建物負荷１１４のための公共電力
需要１１２との差を測定し、通信信号１２０をターボ発
電機１１３に送る。
【００５８】図１１は、出力制御器／ターボ発電機１１
３に関して、建物内の複数の負荷を制御するための負荷
追従、ピークカット、および中継出力制御を含む総エネ
ルギー管理システムを示している。メータ１１０は、公
共電力信号１１２を受信し、通信信号１２０を制御器／
ターボ発電機１１３に供給し、制御器／ターボ発電機１
１３はターボ発電機発電電力１１１を建物負荷１１４に
供給する。建物負荷１１４は、各々が負荷制御中継器１
３０、１３１、１３２をそれぞれ有する多数の個別の立
負荷から成っている。負荷制御中継器１３０、１３１、
１３２は、それぞれ出力１４０、１４１、１４２を制御
器／ターボ発電機１１３に供給する。
【００５９】個別の出力中継器は、ＨＶＡＣ（高電圧加
速器）、ファン、モータ、ポンプ等の各種の外部負荷を
制御するために用いることができるため、この制御能力
は、ターボ発電機ピークカットおよび負荷追従制御モー
ドと合わせて、１つの集積パッケージにおさめた総エネ
ルギー管理法を提供する。中継制御は、制御器により、
１日のうちの時刻または１週間のうちの曜日計画に基づ
いて個別の負荷をオン・オフするようにプログラムでき
る。
【００６０】図１２、１３、１４は、ピークカット、負
荷追従、給電のそれぞれの動作モードについてのターボ
発電機発電電力と建物電力消費量の負荷プロフィールを
示している。ピークカット制御モードにおいては、ター
ボ発電機出力電力は、図１２に示すように一定の公共電
力分を提供するように調節される。
【００６１】負荷追従は、ターボ発電機が（ターボ発電
機の負荷電力発電能力までの）全負荷を供給し、図１３
に示すように、公共電力分をゼロに維持する制御モード
である。
【００６２】図１４に示す負荷追従およびピークカット
の両方の場合について、負荷は常にに変化し、これによ
り、ターボ発電機の始動、停止および電力調節が必要に
なる。例えば、１時間に何度も始動、停止を行う空調装
置は、建物内で最大の単独の電力消費家である。その結
果、ターボ発電機は、始動および停止サイクルを繰り返
すことになる。
【００６３】公共電力ベースの荷制御モード（またはピ
ークカットモード）において、制御システムは、公共送
配電系統からの一定の負荷を維持するために、ターボ発
電機出力を調節する。オペレータは、公共電力ベースの
負荷設定点を入力し、電力制御器は、負荷の変化にかか
わらず、送配電系統が一定量の電力を供給するように、
ターボ発電機を調節する。
【００６４】逆電力流保護ロジックは、ユーザの定めた
設定点に基づいて、公共送配電系統上の逆流を防ぐため
に、ただちにターボ発電機を停止する。制御ロジック
は、ターボ発電機の始動・停止の繰り返しを防ぐため
に、最小の動作設定点に基づいた給電ロジックを含んで
いる。
【００６５】制御システムは、建物すなわち負荷の有効
電力と無効電力の双方を調節可能である。電力制御器
は、ターボ発電機からの無効電力出力を調整して公共電
源から供給される総電流をゼロとすることができる。ほ
とんどの用途について、無効電力は、電力制御器により
ゼロに調節される。この特徴は、ユーザによる活性・非
活性を切りかえ可能である。
【００６６】制御システムは、需給グレード(utility g
rade)メータと組合わさって動作する。市販されている
電力計は以下の信号を供給する。（１）活性化／非活性
化負荷（すなわち、発電システムの場合には、活性化／
非活性化電力）のための分離信号。（２）監視および負
荷管理のためのパルス信号。（３）高度監視能力のため
のデジタルシリアル通信。メータは、建物内の負荷管理
のための多数の離離信号を供給することができる。これ
らの信号は、建物内の負荷が特定の設定点あるいは監視
レートスケジュールを超過した場合、１つ以上のターボ
発電機を発動(dispatch)するために用いることができ
る。
【００６７】ピークカットおよび負荷追従の利点に加え
て、デジタル電力計は、長期間にわたり建物負荷を分析
して特徴付け、予測電力消費量に基づく負荷計画プロフ
ィールを作るために用いることができる。
【００６８】制御システムは、３つのオプション、即ち
「無効化」、「ピークカット」、「負荷追従」から１つ
を選択するためのモード設定を組み入れている。ピーク
カットモードは、システムを活性化し、ＲＵＮ／ＳＴＯ
Ｐ接触が閉じている（メータ内にプログラムされたピー
クカット設定点を超過した時に接触が閉じる）場合に
は、ターボ発電機制御器内にプログラムされたユーザ設
定ピークカット電力設定点において動作する。
【００６９】負荷追従モードが選択された場合、建物あ
るいは負荷電力設定点が公共電力設定を最小電力遮断限
界値よりも超過した場合に負荷追従が活性化される。逆
電力保護特性は、負信号からの入力が、電力が公共電源
へ送られようとしているとを示している場合に、ターボ
発電機を停止するために与えられている。このオプショ
ンは、ユーザにより調節可能な２つの設定を含んでい
る。即ち、「有効」または「無効」の設定であり、調節
可能なタイマーは、逆流を許可する時間を示す。この特
性は、選択されたモード設定には関係なく動作する。
【００７０】最小電力ユーザ調節は、長期の低電力動作
（低効率）を防ぐために用いることができる。ターボ発
電機システムは、次回の始動条件が得られるまでのあい
だ、調節可能な時間にわたり、電力設定点が調節可能な
電力設定点よりも小さい場合に遮断される。この設定
は、負荷追従のみに適用される。給電ヒステリシスバン
ドは、電力需要が遮断限界である場合に、始動および停
止の繰り返しを防ぐ。
【００７１】電力制御器の無効電力(reactive power)を
送出する能力は、制御器の電流の限界により電力制御器
が送出する有効電力(real power)に依存する。制御シス
テムは、総電流が限界に達すると、無効電力(reactive
power)を自動的に制限する。このように、有効電力(rea
l power)の送出は、下記の関係式に基づいて、無効電力
(reactive power)の送出に優先する。
【００７２】 Ｉｒｅａｃｔｉｖｅ＝(Ｉ２ ｍａｘ−Ｉ２ ｒｅａｌ)１／２ （２） ここで、Ｉｒｅａｃｔｉｖｅは無効電流(reactive curr
ent)を示し、Ｉｍａｘは最大電流(maximum current)を
示し、Ｉｒｅａｌは有効電力(real current)を示す。す
なわち、有効電力(real power)はＩ２ ｒｅａｌで表わさ
れ、無効電力(reactive power)はＩ２ ｒｅａｃｔｉｖｅ
で表わされる。
【００７３】無効電力制御は、ターボ発電機発電を必要
としない。電力制御器は、ターボ発電機からの電力なし
に、インバータ切替えを介して公共無効電力を調節する
ことができる。
【００７４】ターボ発電機および制御器の設計により、
一定の需給グレードＡＣ出力を維持しつつ、ガスタービ
ンエンジンを広範囲の速度で運転できるため、ターボ発
電機を、広範囲の負荷条件にわたり、ピーク効率もしく
はその近傍で運転でき、ターボ発電機の負荷出力は、効
率を最大にするよう調節される。これは、このような広
範囲な電力出力にわたってピーク効率で運転できない他
の電力発電システムよりすぐれた顕著な利点である。
【００７５】以上、本発明を具体的な実施例について説
明したが、これらは単に例示のためのものであり、本発
明はこれらに限定されるものではなく、添付の適切な請
求の範囲により規定されるものと解釈されることはいう
までもない。
【００７６】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、負
荷需要の変化に応えるためにエンジンとしてのターボ発
電機を絶え間なく加速・減速することを防止することが
できる電力制御システム及び電力制御システムを得るら
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力制御システムおよび方法に用いる
ためのターボ発電機の一部破断斜視図である。
【図２】本発明の電力制御システムおよび方法に用いる
ための電力制御器のブロック図である。
【図３】図２の電力制御器における電力コンバータのブ
ロック図である。
【図４】ブロックピークカット動作モードのブロック図
である。
【図５】マルチユニットピークカット動作モードのブロ
ック図である。
【図６】負荷追従動作モードのブロック図である。
【図７】マイクロプロセッサ式デジタル電力計へのシリ
アル通信を含む負荷追従動作モードのブロック図であ
る。
【図８】負荷追従動作モードの制御動作のブロック図で
ある。
【図９】ピークカットモードおよび負荷追従動作モード
のためのメータ構成を示す図である。
【図１０】給電制御動作モードのためのメータ構成を示
す図である。
【図１１】本発明の電力制御システムおよび方法に用い
られる総エネルギー管理システムのブロック図である。
【図１２】ピークカット動作モードについて、建物電力
消費量に対する公共電力消費量とターボ発電機発電量の
負荷プロフィールの一例を示す図である。
【図１３】負荷追従動作モードについて、建物電力消費
量に対するターボ発電機発電量の負荷プロフィールの一
例を示す図である。
【図１４】給電制御動作モードについて、建物電力消費
量に対するターボ発電機発電量の負荷プロフィールの一
例を示す図である。
【符号の説明】 １０ 永久磁石型ターボ発電機／原動機 ４０ 電力制御器 ４２ エネルギー源 ４４ 電力コンバータ ４６ 電力コンバータ ４８ 公共電源／負荷 ５０ 蓄電装置 ５２ 電力コンバータ ５４ ＤＣバス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク ジー．ギルブレス アメリカ合衆国，カリフォルニア 91367, ウッドランド ヒルズ，＃306，バーバン ク ブールヴァード 21520 (72)発明者 ジョエル ビー．ワックノフ アメリカ合衆国，カリフォルニア 91362, サウザンド オークス，ラング ランチ パークウェイ 3599

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力計および負荷を有する公共送配電系
    統に動作的に接続され、電力制御システムにおいて、 少なくとも１つのターボ発電機と、 前記少なくとも１つのターボ発電機および前記公共送配
    電系統の前記電力計に動作的に接続された制御器とを有
    し、 前記制御器は負荷制御動作モードと、負荷追従動作モー
    ドと、ピークカット(peak shaving)動作モードのいずれ
    かを選択する手段を備えたことを特徴とする電力制御シ
    ステム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の電力制御システムにお
    いて、前記電力制御器は、有効電力(real power)と前記
    負荷の無効電力(reactive power)を調節する手段をさら
    に含むことを特徴とする電力制御システム。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の電力制御システムにお
    いて、前記制御器は、前記少なくとも１つのターボ発電
    機の計画運転のための長期負荷プロフィールを監視する
    手段をさらに含むことを特徴とする電力制御システム。
  4. 【請求項４】 公共送配電系統および負荷に動作的に接
    続された電力制御システムにおいて、 前記公共送配電系統に動作的に接続された電力計と、 前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負荷に動作
    的に接続された、各々が制御器を有する複数のターボ発
    電機とを有し、 前記電力計は、給電離散信号(power dispatch discrete
    signal)および逆電力離散信号(reverse power discret
    e signal)を前記複数のターボ発電機制御器の各々に供
    給することを特徴とする電力制御システム。
  5. 【請求項５】 公共送配電系統および負荷に動作的に接
    続された電力制御システムにおいて、 前記公共送配電系統に動作的に接続された電力計と、 前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負荷に動作
    的に接続され、各々が制御器を有する複数のターボ発電
    機とを有し、 前記電力計は、個別の給電離散信号(separate power di
    spatch discrete signal)および個別の逆電力離散信号
    (separate reverse power discrete signal)を前記複数
    のターボ発電機制御器の各々に供給することを特徴とす
    る電力制御システム。
  6. 【請求項６】 公共送配電系統および負荷に動作的に接
    続された電力制御システムにおいて、 前記公共送配電系統に動作的に接続された電力計と、 前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負荷に動作
    的に接続され、各々が制御器を含んでいる少なくとも１
    つのターボ発電機とを有し、 前記電力計は、複数のアナログパルス入力信号を前記少
    なくとも１つのターボ発電機制御器の各々に供給するこ
    とを特徴とする電力制御システム。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の電力制御システムにお
    いて、前記複数のアナログパルス入力信号は、有効電力
    正方向信号と、有効電力負方向信号と、正の無効電力信
    号と、負の無効電力信号を含むことを特徴する電力制御
    システム。
  8. 【請求項８】 請求項６に記載の電力制御システムにお
    いて、前記電力計は有効電力フィードバック信号および
    無効電力フィードバック信号を供給することを特徴する
    電力制御システム。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の電力制御システムにお
    いて、有効電力フィードバック信号を公共電力負荷有効
    需要信号(utility load real demand signal)と比較す
    る第１の比較器と、前記無効電力フィードバック信号を
    公共電力負荷無効需要信号(utility load reactive dem
    and signal)と比較する第２の比較器とをさらに有する
    ことを特徴とする電力制御システム。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の電力制御システムに
    おいて、前記第１の比較器に動作的に接続され、前記第
    １の比較器からの比較結果信号を時間平均化する手段
    と、前記第２の比較器に動作的に接続され、前記第２の
    比較器からの比較結果信号を時間平均化する手段とをさ
    らに有することを特徴とする電力制御システム。
  11. 【請求項１１】 請求項６に記載の電力制御システムに
    おいて、前記電力計は、逆電力流(reverse power flow)
    を防止することを特徴とする電力制御システム。
  12. 【請求項１２】 請求項６に記載の電力制御システムに
    おいて、前記少なくとも１つのターボ発電機制御器は、
    前記電力計からの有効および無効電力を測定し、前記無
    効電力を調整することを特徴とする電力制御システム。
  13. 【請求項１３】 請求項６に記載の電力制御システムに
    おいて、前記少なくとも１つのターボ発電機制御器は、
    前記電力計からの有効および無効電力を測定し、前記無
    効電力をゼロにすることを特徴とする電力制御システ
    ム。
  14. 【請求項１４】 公共送配電系統および負荷に動作的に
    結合された電力制御システムにおいて、 前記公共送配電系統に動作的に結合された電力計と、 前記公共送配電系統と、前記電力計と、前記負荷に動作
    的に接続され、各々が制御器を有する複数のターボ発電
    機であって、少なくとも１つが主ターボ発電機であり、
    残りが前記主ターボ発電機に従属する複数のターボ発電
    機とを有し、 前記電力計は、デジタルシリアル通信を、前記主ターボ
    発電機に与え、前記主ターボ発電機が前記従ターボ発電
    機に命令することを特徴とする電力制御システム。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の電力制御システム
    において、前記電力計は、有効および無効電力の両方を
    測定することを特徴とする電力制御システム。
  16. 【請求項１６】 請求項１４に記載の電力制御システム
    において、前記電力計は、前記主ターボ発電機制御器が
    オフの間、蓄積電力を測定することを特徴とする電力制
    御システム。
  17. 【請求項１７】 公共送配電系統と、少なくとも１つの
    ターボ発電機と、負荷の間の電力を制御する電力制御方
    法において、 前記公共送配電系統に接続された電力計を設けるステッ
    プと、 負荷制御動作モードと、負荷追従動作モードと、ピーク
    カット動作モードのいずれかを選択するステップとを有
    することを特徴とする電力制御方法。
  18. 【請求項１８】 公共送配電系統と、複数のターボ発電
    機と、負荷の間の電力を制御する電力制御方法におい
    て、 前記公共送配電系統に接続された電力計を設けるステッ
    プと、 給電離散信号および逆電力離散信号を前記電力計から前
    記複数のターボ発電機の各々へ供給するステップとを有
    することを特徴とする電力制御方法。
  19. 【請求項１９】 公共送配電系統と、複数のターボ発電
    機と、負荷の間の電力を制御する電力制御方法におい
    て、 前記公共送配電系統に接続された電力計を設けるステッ
    プと、 個別の給電離散信号および個別の逆電力離散信号を前記
    電力計から前記複数のターボ発電機の各々へ供給するス
    テップとを有することを特徴とする電力制御方法。
  20. 【請求項２０】 公共送配電系統と、少なくとも１つの
    ターボ発電機と、負荷の間の電力を制御する電力制御方
    法において、 前記公共送配電系統に接続された電力計を設けるステッ
    プと、 複数のアナログパルス入力信号を前記電力計から前記少
    なくとも１つのターボ発電機の各々へ供給するステップ
    とを有することを特徴とする電力制御方法。
  21. 【請求項２１】 公共送配電系統と、複数のターボ発電
    機と、負荷の間の電力を制御する電力制御方法におい
    て、 前記公共送配電系統に接続された電力計を設けるステッ
    プと、 前記複数のターボ発電機の１つを主ターボ発電機とし、
    残りを前記主ターボ発電機に従属する従ターボ発電機と
    して設定するステップと、 デジタルシリアル通信を前記電力計から前記主ターボ発
    電機に与えるステップとを有することを特徴とする電力
    制御方法。
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