JP2005295796A - 組み込まれた電力スイッチを有する発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機１の相ｕ，ｖ，ｗをネットワーク３に接続するためのおよび／またはネットワーク３から分離するための電力スイッチ９を備えている発電機において簡単かつ高速にスイッチングできるようにする。
【解決手段】電力スイッチが電子的な電力スイッチとして実現されており、該電力スイッチが発電機に組み込まれており、電力スイッチは固定子４の巻線ストランドの並列回路８，８’，８”に分割されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、数１０ないし２０００ＭＷの領域にある高出力の発電機も電力ネットワークもしくは回路網に接続することができる、発電機用電力スイッチの分野に関する。

電力スイッチは、３相交流網における電流を運ぶ相線を必要に応じて接続または分離するために用いられる。典型的には電圧降下または電流の相応の変化になって現れるネットワークの障害をセンサが検出すると、この形式の電力スイッチは３相の１つまたは複数を開放しかつこれにより電流がそれ以上流れないようにする。この形式の電力スイッチは再投入スイッチとしても用いられて、電流を運ぶコンタクトが再び接続されるようにすることができる。

典型的にはこの形式の電力スイッチは機械的なスイッチとして実現される。設計仕様は実質的に、数１０００ＭＶＡにまでなる可能性がある最大の遮断電力によって決められる。スイッチは遮断のために周期的に発生する電流零点通過を利用する。にも拘わらず、コンタクトの分離の際にいわゆるアークが発生する。この放電をコントロールしてなくすことができるようにするために、本来の機械的なコンタクトは通例、スイッチチャンバに配置されており、その際ここには、例えばＳＦ_６のような不活性の、電気的に絶縁性のガスが充填される。この形式の構成は例えば、ABB-Review 3/2002, p. 34〜40 に記載されている。

機械的な発電機用電力スイッチは高電圧ネットワークに発生する電力をスイッチオンおよびスイッチオフ過程が繰り返される場合にも正しく処理することができるが、この種のスイッチには一方において基本的にその機械的な性格（損耗）に基づいておよび他方において、従来の電力スイッチは６０ないし１２０ｍｓのスイッチング時間（トリガ信号から帰還する電圧まで）を必要とするという事実に基づいて生じる欠点がある。
ＡＢＢ−Ｒｅｖｉｅｗ ３／２００２，ｐ３４〜４０

本発明の課題は、発電機の相をネットワークに接続するためおよび／または発電機の相をネットワークから分離するための少なくとも１つの電力スイッチを備えている構造的に簡単で、高速に切り換えられる発電機を使用できるようにすることである。

この課題の解決は次のようにして実現される：電力スイッチの少なくとも１つが電子的な電力スイッチとして実現されており、かつこの電力スイッチが発電機に組み込まれている。その際この形式の電子的な電力スイッチを発電機に最適に集積するために、電力スイッチを固定子の並列な巻線アームに分割配置すると有利であることが認められている。

従って本発明の要点は、機械的なスイッチに代わって高電力を有する発電機にもスイッチングのためのパワーエレクトロニクスを使用する点にある。比較的短い固有スイッチング時間を有する半導体は、発電機をできるだけ早期にネットワーク障害から隔離するのに大いに役立ち、このことは発電機およびタービンの設計に有利に作用する。

最大の遮断時間は１０ｍｓ（期間）のオーダにあり、遮断可能な半導体または公知の転流回路素子によって１ｍｓの領域まで抑えることができる。後者は零点通過を有していない電流の遮断に対しても当てはまる。パワーエレクトロニクス装置は保守がいらない。それ故にこれは発電機に有利に組み込むことができる。

保守のいらないパワーエレクトロニクスの使用により有利にも、発電機への回路の簡単な組み込みが可能になる。このことは、電力スイッチを固定子の並列な巻線分岐に分割することによって特別効果的な手法で可能である。その際有利には、１つの固定子を備えおよび発電機相毎に少なくとも２つの並列な回路を備え、ここで並列な回路はそれぞれ同じ発電機相において接続されているという発電機において、並列な回路のそれぞれは上述した電力スイッチの少なくとも１つを介してその都度スイッチング可能であるというようになっている。異なっている並列な回路に分割することによって、スイッチング過程および作動の際に発生する電力を異なっているスイッチに分割することができ、かつ更にスイッチング過程を発電機に上手く組み入れることができる。こうしてパワーエレクトロニクスの使用は簡単化される。パワーエレクトロニクスを使用したこの形式の回路は５ＭＷより大きい電力を有するまたは５０ＭＷから殊に２０００ＭＷまでの領域にある電力を有する発電機にさえ使用することができることが分かっている。個々の並列な回路の固有巻線インダクタンスは自動的に、並列動作する電力スイッチが使用される中、電流が均一に分配されるようにする。

本発明の第１の有利な実施形態によれば、電力スイッチは少なくとも２つの逆並列接続されたサイリスタを含んでいる。これら２つの逆並列接続されたサイリスタはスイッチング過程の際に実質的に同時に開放もしくは閉成される。サイリスタは大きな公差のために高電流の場合に好んで使用される。その際複数のサイリスタを直列に接続することができる。構造嵩およびサイリスタにおける損失を小さく抑えるために、テクノロジーベースＳｉＣに基づいているサイリスタを使用することができる。

別の有利な実施形態は、電力スイッチが少なくとも２つの逆向きに（すなわち異なって極性付けられて）縦続接続されたＩＧＢＴエレメント（insulated gate bipolar transistor）および／またはＧＴＯサイリスタ（gate turn-off thyristor）を有していることによって特徴付けられている。この種のエレメントに不都合な負の電圧を捕捉吸収するために、これらエレメントにはそれぞれに逆並列にダイオードが接続されている。典型的にはＩＧＢＴエレメントもしくはＧＴＯエレメントはこの形式の集積ダイオードに既に備えられている。

障害発生時にもネットワークを引き続きサポートするために、ネットワークからの完全な分離を妨げる手段を設けると（残留電流）有利であることが分かっている。このことは、電力スイッチに並列に少なくとも１つの電流制限インピーダンス（ＲＬエレメント、例えば中実なアルミニウム巻線を有する空心インダクタンス）を設けることによって行うことができる。その場合第２の、直列配置されているスイッチがネットワークからの完全な分離を引き受ける。

単純なサイリスタとは異なってスイッチング過程を電流零点通過時には実施しないＩＧＢＴエレメントもしくはＧＴＯエレメントを使用する場合には殊に、スイッチング過程において高いターンオフエネルギーが発生し、これらは放出されなければならない。このことは、機械的なスイッチの場合アークを介して行われ、かつ特別な瞬時的にターンオフ可能なパワーエレクトロニクスの場合には、スイッチング過程の際のエネルギーを同様にコントロールして吸収することが必要である。相応の別の有利な実施形態は、遮断時に電力を受け取るための回路素子が設けられているという特徴を有している。その際有利には、電力スイッチに並列配置されている、過電圧保護としての少なくとも１つの非線形抵抗である。これは最大電圧より上では電流を理想的に観察すれば無限大に通し、かつこの最大電圧の下方では電流を通さない。その際通過領域において吸収されたエネルギーは熱として散逸される。

本発明の別の有利な実施形態によれば、発電機に使用される電力スイッチは次のストラクチャのものである：スイッチングはサイリスタ、ＩＧＢＴエレメントまたは殊にＳｉＣエレメントの形のＧＴＯエレメントの形のスイッチングエレメントを使用でき、その際相線の分岐が設けられている。その際分岐のそれぞれのアームは２つの、直列に逆向きに配置されている２つのダイオードを用いており、その際ダイオードはそれぞれのアームにおいて異なった配向で配置されている。スイッチングエレメントは１つのアームに設けられているダイオードの間のそれぞれの分岐において斜めにそれぞれのアームに接続されて配置されている。こうして部品コストを一層低減することができる。

更に、本発明は、発電機の相をネットワークに接続するためのおよび／またはネットワークから分離するための、発電機における電子的な電力スイッチの使用に関する。その際電力スイッチは発電機に組み込まれ、かつ有利には、固定子の並列な巻線分岐に分割配置される。

更に本発明は、殊に上で述べた形式の発電機におけるこの形式の電力スイッチの少なくとも１つの群の作動方法に関する。その際殊にこの方法は、ネットワーク側の電流がしきい値を上回るおよび／またはネットワーク側の電圧がしきい値を下回ると直ちに、電力スイッチの群が実質的に同時に開放されることによって特徴付けられている。同じように、該電力スイッチの群を、開放過程後に、ネットワーク側の電圧がしきい値を再び上回ると自動的に、必要に応じて前以て決められている遅延後に再び閉成することによって、スイッチ再投入過程を自動化することができる。

電力スイッチもしくは発電機もしくは発電機を作動するための方法の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。

図１ａ）には、発電機１と、変圧器２を介したネットワーク３へのその接続とが略示されている。その際３つの発電機相ｕ，ｖ，ｗはネットワーク３の３つの相に結合されている。機械的な電力スイッチが使用されている場合典型的には、この機械的な電力スイッチが発電機スイッチｘとして発電機１と変圧器２との間に配置される、および／または高電圧スイッチｙとして変圧器２とネットワーク３との間に配置されるようにしている。いずれの場合にもスイッチング過程の際に３つの発電機相はネットワークから分離される。今後は区別については言及しないが、変圧器のないタイプの高電圧発生器のようなものもあり（ＡＢＢ−Ｒｅｖｉｅｗ２／１９９８，Ｐ．２１）、このようなものにも、提案された解決法を同様に有意味に使用することができることを述べておく。

図１ｂ）に示されているように、パワーエレクトロニクスを使用する場合、パワーエレクトロニクスは発電機１もしくは発電機１のハウジング７に非常に簡単に組み込まれる。その際個々の電力スイッチ９を介して発生する電流をパワーエレクトロニクスにとって合理的な領域に保持するために、固定子４の巻線ストランドのストランドの個々の並列な回路もしくはサークル８，８’，８”がそれぞれ個別に、配属されている電力スイッチ９を介して接続される。並列回路は発電機端子の前で１つの相（図１ｂでは例として相ｕ）にまとめられる。図１ｂ）において３つの並列な回路を有する固定子が例示されているが、２つだけの並列な回路または多数の並列な回路をこのように接続することもできる。

ところでネットワークに障害が発生すると、典型的にはネットワーク３における電圧が消失し、かつ発電機１からネットワークへの接続路に過電流が発生する。電力スイッチ９は前以て決められているしきい値に達するとき一時的に遮断される。その際スイッチング時間は１０ｍｓの領域（サイリスタ）に実現することができるが、１ｍｓの領域（ＩＧＢＴまたはＧＴＯ）に実現することもできる。場合によっては、ネットワーク上の電圧が再び電圧の前以て決められているしきい値を上回るや否や、再投入過程が自動的に実行されるようにすることもできる。

電力スイッチ９は、図２に図示されているように、従来のサイリスタ１０に基づいて実現されていてよい。種々の形式のサイリスタ１０の接続を選択することができる。図２ａ）には、２つのサイリスタが逆並列に配置されているという最も簡単かつ最もロバストな形態が図示されている。比較的大きな電圧を捕捉もしくは処理できるようにするために、例えば図２ｂ）に示されているように、それぞれのパスに２つまたはそれ以上の数のサイリスタを直列に設けることができる。

遮断過程において発電機軸６の負荷を制限するために、図２ｃ）に図示されているように、複素インピーダンス１１を逆並列に配置されているサイリスタ１０に並列に配置することができる。こうしてサポート電流をネットワークに注入することができかつ、遮断時に電流が完全に零に低下するのを妨げることができる。この形式の電流制限インピーダンスは例えば空心インダクタンスによって実現することができる。しかし発電機固定子に組み込まれている補助巻線も考えられる。

基本的に、電力スイッチを、しきい値において発生する負荷に最大限持ち堪えるように設計することが可能である。電圧ないし電流の本来のピーク値は引き続いて、電力スイッチ９のスイッチング過程に通常はもはや全く見られない。しかし安全性の理由から、電力スイッチ９を期待される最大負荷に対して設計すると有利であることが認められている。

図２に示されているように、普通のサイリスタが使用されるのであれば、スイッチング過程は交流電流の零点通過時に行われる。しかしスイッチング過程が零点通過外でも行うことができる、パワーエレクトロニクスとは違ったエレメントが使用されるならば（後で出てくる図３参照）、スイッチング過程において電流の突然の変化によって大きな誘導エネルギーが自由になる。相応に、図２ｄ）に図示されているように、スイッチングエレメントに並列にアレスタ１２として非線形の抵抗を設けると役立つことが分かっている。例えばこのために、非線形の特性を示すＺｎＯバリスタを使用することができる。電圧の最大値の上方では、この形式のアレスタ１２が存在している場合には電流は任意に上昇し（
微分抵抗≧０）、一方この最大値の下方ではこのアレスタ１２を介して流れる電流は零に等しい（抵抗は無限大）。こうして過電圧の場合この過電圧制限器においてエネルギーは熱として散逸することになる。

勿論、図２ｅ）に図示されているように、複素インピーダンス１１およびこの形式の過電圧制限器を同じスイッチに同時に並列に設けることができる。図２ｅ）では更に、複素インピーダンス１１に直接に別のスイッチ（機械的なまたはパワーエレクトロニクス、具体的に示されているのは機械的な電力スイッチ１６である）を設けることができることが図示されている。このことは、発電機がネットワークとの長期的な問題に基づいてネットワークから完全に切り離されなければならない場合に当てはまる。

サイリスタの代わりにＩＧＢＴ（＝insulated gate bipolar transistor）１４が使用される場合、これは図３ａ）に図示されているように、順次接続されており、その際極性は反対方向に配向されている。これらＩＧＢＴエレメントは僅かな負の電圧しか持ち堪えることができないので、これらにそれぞれ逆並列に配置されているダイオード１３を設けるとよい。この形式のダイオード１３は典型的には市販のＩＧＢＴエレメントに既に集積されている。

図３ｂ）には択一的に、ＧＴＯサイリスタ（gate turn-off thyristor）を使用した実施例が示されている。これらエレメント（ＧＴＯサイリスタ）も負の電圧に対して保護されなければならないので、それぞれにサイリスタに逆並列に配置されたダイオード１３が設けられる。これらダイオードも市販のＧＴＯサイリスタに集積されているものである。サイリスタ１０に対しても、ＧＴＯサイリスタ１５に対しても、ＩＧＢＴ１４に対しても、ＳｉＣベースのテクノロジーを使用することができる。その理由は、これらが電圧耐性および温度耐性に関して優れた特性を呈しているからである。

図３ｃ）には、ＩＧＢＴを使用した別の可能な回路装置が示されている。これは殊に、安定性がよくしかも構造が簡単でコストの面で有利な構成部品を使用することができるということによって特徴付けられている。

ａ）は発電機、変圧器およびネットワークから成る構成体の略図、ｂ）は本発明の電子的な電力スイッチの組み込みを説明する略図 ａ）は２つのサイリスタが使用され、ｂ）ではそれぞれ直列接続されたサイリスタが使用され、ｃ）は並列な電流制限インピーダンスが使用され、ｄ）では並列な非線形抵抗（過電圧保護）が設けられおよびｅ）では並列な電流制限インピーダンスおよび過電圧保護体を備えている、それぞれ電子的な電力スイッチの実施例の回路略図 ａ）はＩＧＢＴエレメントを使用した電子的な電力スイッチ、ｂ）はＧＴＯエレメントを使用した電子的な電力スイッチ、ｃ）はＩＧＢＴエレメントを使用した別の電子的な電力スイッチの略図

符号の説明

１ 発電機、 ２ 変圧器、 ３ ネットワーク、 ４ 固定子、 ５ 回転子、 ６ 発電機軸、 ７ 発電機ハウジング、 ８，８’，８” 同じ相ｕまたはｖまたはｗに対する固定子巻線ストランドの並列回路、 ９ 電力スイッチ、 １０ サイリスタ、 １１ 電流制限インピーダンス、 １２ 非線形抵抗（アレスタ）、 １３ ダイオード、 １４ ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）エレメント、 １５ ＧＴＯサイリスタ（gate turn-off thyristor）、 １６ 機械的な電力スイッチ、 ｕ，ｖ，ｗ 発電機の相、 ｘ 発電機スイッチ、 ｙ 高電圧スイッチ

Claims (14)

1. 発電機（１）の相（ｕ，ｖ，ｗ）をネットワーク（３）に接続するためのおよび／またはネットワーク（３）から分離するための少なくとも１つの電力スイッチ（９）を備えている発電機（１）において、
   電力スイッチが電子的な電力スイッチ（９）として実現されており、かつ
   該電力スイッチ（９）が発電機（１）に組み込まれており、ここで該組み込まれている電力スイッチ（９）は固定子（４）の巻線ストランドの並列回路（８，８’，８”）に分割されている
   ことを特徴とする発電機（１１）。
2. 少なくとも１つの電力スイッチ（９）は少なくとも２つの逆並列接続されたサイリスタ（１０）を含んでいる
   請求項１記載の発電機（１）。
3. 電力スイッチ（９）の少なくとも１つはテクノロジーベースＳｉＣ上にサイリスタ（１０）を含んでいる
   請求項１または２記載の発電機（１）。
4. 電力スイッチ（９）の少なくとも１つは少なくとも２つの逆向きに縦続接続されたＩＧＢＴエレメント（１４）および／または例えばＳｉＣ−ＧＴＯエレメントの形のＧＴＯサイリスタ（１５）を含んでおり、これらエレメントにはそれぞれに逆並列にダイオード（１３）が接続されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の発電機（１）。
5. 電力スイッチ（９）の少なくとも１つにおいて電力スイッチ（９）に並列に、少なくとも１つの電流制限インピーダンス（１１）が設けられている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の発電機（１）。
6. 電力スイッチ（９）の少なくとも１つにおいて電力スイッチ（９）に並列に、アレスタ（１２）として作用する、有利にはバリスタの形の少なくとも１つのエレメントが設けられている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の発電機（１）。
7. 電力スイッチ（９）の少なくとも１つにおいてスイッチングはＩＧＢＴエレメント（１４）または例えばＳｉＣ−ＧＴＯエレメントの形のＧＴＯサイリスタ（１５）を介して実現され、ここで相線の分岐が設けられており、該分岐のそれぞれのアームで２つの直列に逆並列に配置されたダイオード（１３）を使用しており、該ダイオードは２つのアームにおいて異なって配向されており、かつＩＧＢＴエレメント（１４）またはＧＴＯサイリスタ（１５）は１つのアームに設けられているダイオード（１３）間のそれぞれの分岐に斜めにそれぞれのアームと接続されて配置されている
   請求項１から６までのいずれか１項記載の発電機（１）。
8. 電力スイッチ（９）の少なくとも１つは遮断時に電力を受け取るための回路素子を有しており、ここで該回路素子は例えば電力スイッチ（９）に並列配置されている、過電圧保護としての少なくとも１つの非線形抵抗（１２）である
   請求項１から７までのいずれか１項記載の発電機（１）。
9. 発電機（１）は発電機相（ｕ，ｖ，ｗ）毎に少なくとも２つの並列な回路（８，８’，８”）を備えている固定子（４）を有しており、該並列な回路（８，８’，８”）はそれぞれ、同じ発電機相（ｕ，ｖ，ｗ）に接続されており、並列な回路（８，８’，８”）それぞれは少なくともつの電力スイッチ（９）を介してその都度同時にまたは順次にスイッチング可能である
   請求項１から８までのいずれか１項記載の発電機（１）。
10. 発電機は、５ＭＷより大きな電力を有する、例えば５０ＭＷより上で例えば２０００ＭＷまでの領域にある電力を有する発電機（１）である
    請求項１から９までのいずれか１項記載の発電機（１）。
11. 電力スイッチ（９）が発電機（１）に組み込まれるという、発電機（１）の相（ｕ，ｖ，ｗ）をネットワーク（３）に接続するためのおよび／またはネットワーク（３）から分離するための電子的な電力スイッチ（９）の発電機（１）への使用。
12. 組み込まれた電力スイッチ（９）は固定子（４）の発電機相の並列な回路（８，８’，８”）に分割されている
    請求項１０記載の使用。
13. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の発電機（１）の作動方法において、
    電力スイッチ（９）の群が存在しており、かつ
    ネットワーク側の電流がしきい値を上回るおよび／またはネットワーク側の電圧がしきい値を下回ると直ちに、実質的にすべてのスイッチ（９）が同時にまたは制御されて短い時間に相次いで開放される
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の発電機（１）の作動方法において、
    電力スイッチ（９）の群が存在しており、かつ
    該電力スイッチ（９）の群は開放過程後に、ネットワーク側の電圧がしきい値を再び上回ると自動的に、必要に応じて前以て決められている遅延後に再び閉成される
    を特徴とする方法。

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