JP2011172479A

JP2011172479A - 同期発電機によって発生される無効電力又は同期発電機によって吸収される無効電力を調整する方法

Info

Publication number: JP2011172479A
Application number: JP2011034219A
Authority: JP
Inventors: Johann Haldemann; ヨハン・ハルデマン
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2011-09-01
Also published as: CN102163848A; EP2362537A1; EP2362537B1; CN102163848B; US8884486B2; US20110210705A1

Abstract

【課題】
本発明の課題は、同期発電機によって発生される無効電力又は同期発電機によって吸収される無効電力を調整する方法に関する。
【解決手段】
当該方法は、固定子巻線としてのコイル２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂの数を調整し、前記同期発電機の動作基点を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、同期発電機によって発生される無効電力又は同期発電機によって吸収される無効電力を調整する方法に関する。

以下の図１の実施の形態では、同期発電機の一般的な可能出力曲線が示されている。

この可能出力曲線は、（単位時間当たりの）無効電力を決定するＸ軸線及び（同様に単位時間当たりの）有効電力を決定するＹ軸線を有する。特にこの可能出力曲線は、回転子電流２、固定子電流３及び安定限界４によって決定される運転限界を示す。安定限界４は、設計パラメータである短絡比、略してＳＣＲと呼ばれる点９から出発する。

さらに、原動機がタービンである場合は、タービン限界５も示されている。

（図の中心７から出発するベクトルによって示された）固定子電流６及び（当該ＳＣＲから出発するベクトルによって示された）回転子又はフィールド電流８が、発電機の動作基点１０に集まる。

電力網に接続されている負荷が：
−電気抵抗のように振舞う。この場合、当該電気抵抗は、有効電力を吸収するが、無効電力を吸収しない。
−インダクタンスのように振舞う。この場合、当該インダクタンスは、有効電力を吸収しないが、無効電力を吸収する。
−キャパシタンスのように振舞う。この場合、当該キャパシタンスは、有効電力を吸収しないが、無効電力を発生する。

負荷が、有効電力を吸収し、同時に無効電力を吸収又は発生するように、一般に当該負荷は、混成した振る舞いを呈する。

特に定格運転中は、有効電力及び無効電力が、電力網によって吸収されるように、電力網の全体が、抵抗性の挙動及び誘導性の挙動を呈する。これに応じて、発電機は、有効電力及び無効電力を提供しなければならない。この運転は、通常は遅れ力率運転と呼ばれ、動作基点１０に対応する。

知られているように、電力網によって吸収される有効電力及び無効電力は、一年の間に変化し、或る場合では、一日の間にも変化する。したがって、調整が要求される。

或る場合（例えば、夜間）では、電力網によって吸収される有効電力が減少し、同様に電力網によって吸収される無効電力も減少する。或る場合では、電力網が、キャパシタンスとして振る舞いを開始し、無効電力を発生する。

当該無効電力が発生した時に、電力網に接続されている発電機が、この無効電力を吸収可能でなければならないことは明らかである。

無効電力を電力網から吸収するため、動作基点が、（矢印Ｆによって示されているように）点１０からタービン限界５に沿って安定限界４に向かって移動させて、発電機をいわゆる進み力率運転に以降させなければならない。

安定限界４を超えると、発電機が、電力網との同期を失うので、当該調整は、この安定限界４によって制限されることは明らかである。

したがって、このような調整は厳しく制限され、制限された量の無効電力だけが当該方法で吸収される。

十分な量の無効電力を吸収可能であるためには、安定限界４が、Ｙ軸線から遠く離れているように、顧客は、通常はＳＣＲ９の高い設計を呈する発電機を生産することを要求する（安定限界４は、当該ＳＣＲに由来するので、実際に、ＳＣＲが大きいほど、動作基点をタービン限界５に沿って移動させることによってこの動作基点を調整して発生され得る無効電力が大きい）。

これにもかかわらず、ＳＣＲの増加は、回転子又はフィールド電流８を定格運転中に（つまり、動作基点１０で）増大させる。このことは、効率を低下させ、発電機のサイズを大きくする。

米国特許出願公開第２０１０／０１９７１４号明細書ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０３７１８１号明細書米国特許出願公開第２０１０／０２５９９４号明細書欧州特許出願公開第１７５５２１２号明細書

したがって、本発明の技術的な課題は、上述した従来の技術の問題が排除される方法及び同期発電機を提供することにある。

この技術的な課題の範囲内で、本発明の側面は、遅れ力率に対しては定格運転の基点で同期発電機に影響を及ぼすことなしに、進み力率に対しては無効電力の広い調整領域を有する方法及び同期発電機を提供することにある。

本発明のさらなる側面は、効率が良く且つ制限された寸法を有する同期発電機を提供することにある。

この技術的な課題は当該これらの側面及びさらなる側面と共に、特許請求の範囲に記載の方法及び同期発電機を提供することによって解決される。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付した図面中の制限しない事例によって示された方法及び同期発電機の好適であるものの排他的でない実施の形態の説明から明らかである。

従来の同期発電機の可能出力曲線である。本発明の実施の形態の同期発電機の可能出力曲線である。本発明の第１の実施の形態の同期発電機の巻線を示す。本発明の第２の実施の形態の同期発電機の巻線を示す。第１の実施の形態の同期発電機の第１運転配置の単相の巻線を示す。第１の実施の形態の同期発電機の第２運転配置の単相の巻線を示す。第２の実施の形態の同期発電機の第１運転配置の単相の巻線を示す。第２の実施の形態の同期発電機の第２運転配置の単相の巻線を示す。

同期発電機によって発生された無効電力を調整する方法は、固定子巻線としての多数のコイルを調整してＳＣＲを調整する。

ＳＣＲは、コイルの数の逆数の二乗にほぼ比例する（つまり、ＳＣＲ∝１／ｎ^２、この場合、ＳＣＲは、短絡比であり、ｎは、コイルの数である）ので、コイルの数を減らすと、固定子巻線のリアクタンスが二次方程式にしたがって小さくなる。当該調整は、ＳＣＲを調整することを可能にする。

換言すれば、図２中に示されたように、同期発電機は、２つの可能出力曲線を有する：
−固定子巻線としての全てのコイルを有する第１可能出力曲線２０；この第１可能出力曲線は、遅れ力率で運転するために使用される。
−固定子巻線としての数を減らしたコイルを有する第２可能出力曲線２２；この第２可能出力曲線は、一般には進み力率で運転するために使用される。

したがって、（同期発電機が電力網との同期を失うかもしれない）安定限界を超える危険を伴うことなく、同期発電機の動作基点が、進み力率で運転するために広い範囲内で調整され得る。

換言すれば、同期発電機は、定格運転中は定格運転の基点に対して遅れ力率で運転する。

この場合、全てのコイルが、固定子巻線として存在し、同期発電機の可能出力曲線は、符号２０によって示されている。図のように、回転子又はフィールド電流８が、小さく且つ遅れ力率での運転に対して最適化されているので、当該運転条件は、遅れ力率での運転に対して最適化されている（動作基点１０）。

したがって、無効電力が、同期発電機によって吸収される必要がある時は、当該同期発電機は、少なくとも一時的に進み力率で運転するために稼働される。

例えば、同期発電機の当該動作基点の調整は、従来の調整であり、回転子又はフィールド電流を調整することによって実現される。

進み力率での運転中は、ＳＣＲを大きくするため、固定子巻線としてのコイルの数が減らされる。

このことを実施すると、同期発電機の可能出力曲線が、符号２２によって示された可能出力曲線になる。つまり、当該可能出力曲線は、ＳＣＲが大きくなるように横方向に移動し、安定限界４が、矢印Ｆによって示されたように横方向に移動する。

安定限界４が、（矢印Ｆによって示されたように、図２中のグラフの左部分に向かって）横方向に移動するので、無効電力の調整範囲が広くなる。

必然的に、同期発電機が、進み力率運転から遅れ力率運転に戻されなければならないならば、動作基点が、従来の方法で調整され、タービン限界５に沿って（可能出力曲線２２で運転中の）矢印Ｆとは反対方向に移動される。次いで、（進み力率で運転するために最適化された）可能出力曲線２２から（遅れ力率で運転するために最適化された）可能出力曲線２０に切り替えるため、当該可能出力曲線２０の安定限界４を超えた時に、固定子巻線としてのコイルの数が増大される。

好ましくは、固定子巻線としてのコイルの数が、１つのコイル分だけ低減又は増大される。さらに、同期発電機の各相及び相ごとのコイルの数及び同期発電機の各極及び極ごとのコイルの数が調整される。

さらに本発明は、同期発電機に関する。

知られているように、（従来の技術で周知の特徴を示し且つ添付した図中に示されていない）同期発電機は、環状の形を有する固定子とこの固定子の内部で回転可能な回転子とから構成される。

当該固定子は、３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗを有する巻線２４を備える。図３は、本発明の第１の実施の形態の３つの相の全てを有する固定子巻線を示す。図５，６は、当該同じ実施の形態の１つの相Ｖだけを示す。さらに図４は、本発明の第２の実施の形態の３つの相の全てを有する固定子巻線を示す。図７，８は、当該同じ実施の形態の１つの相Ｖだけを示す。特に、分かりやすくするため、これらの図中には、４つのコイル２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ及び２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂだけが、各極及び各相に対して示されている。

当該図では、符号Ｖ_１が、相出力を示し、符号Ｖ_２が、固定子巻線としての全てのコイルを有する巻線のスター結線（つまり、その他の相のコイル・エンドにスター結線すべきコイル・エンド）を示し、符号Ｖ_２ｚは、固定子巻線としての数を減らしたコイルを有する巻線のスター結線を示す。

当該同期発電機は、コイル２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ及び２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂの数を調整するスイッチ３０と例えば回転子又はフィールド電流を変えることによって同期発電機の動作基点を調整する従来の装置とから構成される。動作基点を調整するその他の装置も特定の要求に応じて使用され得ることが、いずれにしても明らかである。

好ましくは、スイッチ３０が、（電圧が零である）スター結線Ｖ_２／Ｖ_２ｚに対して提供される。（コイルの特定の配置による）異なる実施の形態では、スター結線Ｖ_２／Ｖ_２ｚに対する当該スイッチに加えて又は当該スイッチの代わりに、スイッチが、電圧端子Ｖ_１に対して提供されてもよいことが明らかである。

異なる実施の形態では、スイッチ３０は、高電圧タップ切換器（機械スイッチ）又は電子スイッチと同類である。

（全ての３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗを示す）図３並びに１つの相Ｖだけを示す図５及び６は、同期発電機の第１の実施の形態を示す。

図５は、固定子巻線としての全てのコイル２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ及び２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂによる運転を示す。矢印Ｃは、電流がこれらのコイル中を循環する方向を示す。さらに、実線は、電流が循環する固定子巻線の部分を示し、破線は、電流が循環しない固定子巻線の部分を示す。

同様に、図６は、固定子巻線としてのコイル２６ａ，２７ａ，２８ａ及び２６ｂ，２７ｂ，２８ｂだけによる（つまり、コイル２５ａ及び２５ｂが結線されていない）運転を示す。矢印Ｃは、電流がこれらのコイル中を循環する方向を示す。実線は、電流が循環する固定子巻線の部分を示し、破線は、電流が循環しない固定子巻線の部分を示す。

当該図のように、この実施の形態では、複数のコイルが、反対方向に進相する。つまり、固定子巻線を循環する電流が、反対方向に切り替えられた複数のコイルに順々に通電する。分かりやすさのため、矢印Ｆ１は、これらのコイルが進相する方向を示す。

（全ての３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗを示す）図４並びに１つの相Ｖだけを示す図７及び８は、同期発電機の第２の実施の形態を示す。

特に図７は、固定子巻線としての全てのコイル２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ及び２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂによる運転を示す。矢印Ｃは、電流がこれらのコイル中を循環する方向を示す。さらに、実線は、電流が循環する固定子巻線の部分を示し、破線は、電流が循環しない固定子巻線の部分を示す。

同様に、図８は、固定子巻線としてのコイル２６ａ，２７ａ，２８ａ及び２６ｂ，２７ｂ，２８ｂだけによる（つまり、コイル２５ａ及び２５ｂが結線されていない）運転を示す。矢印Ｃは、電流がこれらのコイル中を循環する方向を示す。実線は、電流が循環する固定子巻線の部分を示し、破線は、電流が循環しない固定子巻線の部分を示す。
当該図のように、この実施の形態では、複数のコイルが、同一方向に進相する。この場合でも、矢印Ｆ１は、これらのコイルが進相する方向を示す。

この実施の形態は、特に簡単で且つ安価である（例えば、説明した第１の実施の形態と比較したときに、より少ない数の連結リングしか要求されない）ので、この実施の形態はより好適である。
有益的には、同期発電機は、通常の数の平行な固定子巻線路を有する。つまり、２極同期発電機は、１つ又は２つの固定子巻線路を有し、４極同期発電機は、１つ又は２つ又は４つの固定子巻線路を有する。

当該調整は、（回転子又はフィールド電流が、定格運転の基点に対して低いので、）遅れ力率時の当該定格運転の基点にある同期発電機の運転に影響を及ぼすことなしに、（ＳＣＲが大きいので、）達成すべき進み力率に対して広い無効電力調整領域を可能にする。
さらに、定格運転の基点に対する回転子又はフィールド電流は小さいので、当該同期発電機は、効率が良く且つ制限された寸法を有する。
当然に、説明した特徴は、互いに独立して提供され得る。
特に使用される材料及び寸法は、要求及び従来の技術に応じて任意に選択され得る。

２回転子電流
３固定子電流
４安定限界
５タービン限界
６固定子電流
７図の中心
８回転子又はフィールド電流
９ＳＣＲ−短絡比
１０定格負荷での発電機の動作基点
２０第１可能出力曲線、グラフ
２２第２可能出力曲線、グラフ
２４固定子巻線
２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂコイル
３０スイッチ
Ｕ，Ｖ，Ｗ相
Ｃ電流
Ｆ基点が移動する方向
Ｆ１コイルが進相する方向

Claims

同期発電機によって発生される無効電力又は同期発電機によって吸収される無効電力を調整する方法において、
固定子巻線としてのコイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）の数を調整し、前記同期発電機の動作基点を調整することを特徴とする方法。
前記同期発電機は、少なくとも一時的に進み力率で運転すること、及び、遅れ力率で運転中は、前記固定子巻線としてのコイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）の数が低減又は増大されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記固定子巻線としてのコイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）の数は、１つのコイルによって低減又は増大されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記同期発電機の各相及び相ごとの前記コイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）の数を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記同期発電機の各極及び極ごとの前記コイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）の数を制御することを特徴とする請求項４に記載の方法。
定格運転の基点（１０）に対しては、前記同期発電機は、遅れ力率で運転することを特徴とする請求項２に記載の方法。
同期発電機において、
スイッチ（３０）が、固定子巻線（２４）としてのコイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）の数を調整し、前記同期発電機の動作基点を調整することを特徴とする同期発電機。
各極の前記コイル（２５ａ，２６ａ，２７ａ，２８ａ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ，２８ｂ）が、同一方向に進相することを特徴とする請求項７に記載の同期発電機。