JP2012157237A - 発電機からの故障電流の寄与の低減 - Google Patents

Abstract

【課題】配電網において発電機からの故障電流の寄与を低減すること。
【解決手段】システム１００は、界磁励磁電流を受けて磁界を発生させる界磁巻線１１０と、界磁巻線に印加される界磁励磁電流に応じた出力電圧を発生させる発電機端子１１５とを含む発電機１０５と、発電機端子１１５から発生する出力電圧を、配電網との相互接続のために調節するように構成され、最大タップ選択で運転される発電機ステップアップ変圧器１２０と、磁巻線に界磁励磁電流を供給する励磁システム１３５と、励磁システムから発電機に供給される界磁励磁電流を調整することにより、発電機が発生させた無効電力に応じて発電機端子における出力電圧が変化することで、配電網に対する発電機からの故障電流の寄与を低減する励磁システム補償器１４５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に配電網に関し、特に、配電網において発電機からの故障電流の寄与を低減することに関する。

配電網は、通常、複数の発電装置（発電機等）を電気的負荷に接続する送電線及びその他の接続要素を含む。送電線の１つで故障が発生すると、その故障の時点で接続されている発電機が、短絡電流故障に寄与する。通常、故障が発生した場合、各発電機は、出力電圧を定格値に維持しようとして、それぞれの出力電流を増大させる傾向がある。その結果、配電網を流れる電流が増大する（この電流を故障電流と称する）。この故障電流を遮断するために、通常は、配電網の様々な場所に設けられた開閉装置を用いる。開閉装置が正常に動作するためには、故障電流が開閉装置の定格容量を超えてはならない（これを故障レベルと称する）。電気的負荷を賄うために配電網に追加する発電機の数が増えるほど、故障電流が増えるため、配電網の必須故障レベルが高くなる。必須故障レベルが開閉装置の定格レベルを超える場合は、より高い故障レベルを許容するために、開閉装置をアップグレード又は交換することがある。このことは、既に出来上がっている配電網にとっては高コストな選択肢であり、発電事業者が新たな発電機を追加するかどうかを決定する際の障害になる可能性がある。

米国特許第７５５４３０１号

本発明の一態様では、システムを提供する。本システムは、界磁巻線及び発電機端子を含む発電機を含み、界磁巻線は、界磁励磁電流を受けて磁界を発生させるように構成されており、発電機端子は、界磁巻線に印加される界磁励磁電流に応じた出力電圧を発生させるように構成されている。発電機の発電機端子と結合された発電機ステップアップ変圧器が、発電機端子から発生する出力電圧を、配電網との相互接続のために調節するように構成されている。発電機ステップアップ変圧器は、最大タップ選択で運転される。本システムは更に、発電機の界磁巻線に界磁励磁電流を供給するように構成された励磁システムを含む。励磁システム補償器が、励磁システムから発電機に供給される界磁励磁電流を調整するように構成されている。界磁励磁電流を調整することにより、発電機が発生させた無効電力に応じて発電機端子における出力電圧が変化して、配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与が低減される。

本発明の第２の態様では、配電網との相互接続点に対する、発電所からの故障電流の寄与を低減するシステムを開示する。本発明のこの態様では、本システムは、界磁巻線及び発電機端子を含む発電機を含み、界磁巻線は、界磁励磁電流を受けて磁界を発生させるように構成されており、発電機端子は、界磁巻線に印加される界磁励磁電流に応じた出力電圧を発生させるように構成されている。発電機の発電機端子と結合された発電機ステップアップ変圧器が、発電機端子から発生する出力電圧を、配電網との相互接続のために調節するように構成されている。発電機ステップアップ変圧器は、最大タップ選択で運転される。励磁システムが、発電機の界磁巻線に界磁励磁電流を供給するように構成されている。励磁システム補償器が、発電機への界磁励磁電流の供給を調整するために励磁システムが使用する補償電圧を決定するように構成されており、補償電圧によって、発電機の電圧制御が行われることで、故障発生前の発電機の正常運転モードの間に、配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与を低減する。

本発明の実施形態による、発電所から配電網との相互接続点への、発電機からの故障電流の寄与を低減するシステムを示す概略図である。

本発明の各種実施形態は、配電網との相互接続点に対する、発電機からの故障電流の寄与を低減することを目的とする。一実施形態では、励磁システムから励磁供給を受ける高インピーダンス発電機が出力電圧を発生させ、この出力電圧は、高インピーダンス変圧器を介して配電網に供給される。励磁システム補償器を用いて、発電機への界磁励磁電流の供給を調整し、この供給によって、発電機の電圧制御を行うことで、故障発生前に、配電網に対する発電機からの故障電流の寄与を低減する。たとえ故障が発生したとしても、本発明の実施形態を用いると、発電機で故障が発生した際の故障電流を、本発明の実施形態を用いない場合よりも小さくできる。

本発明の各種実施形態の技術的効果として、開閉装置の故障電流定格の安全制限に因って、より高電圧の送電線に大きなコストをかけることを必要とせずに、故障が抑制された送電系統（即ち、配電網）に新たな発電所を収容できるようになる。本発明の各種実施形態に関連する別の技術的効果として、電圧レベル及びシステム強度の、送電系統運用規則で規定された広範囲のシステム条件に対して、発電所がボルトアンペア無効電力（ＶＡＲ）サポートを提供することが可能になる。本発明の各種実施形態に関連する他の技術的効果として、発電機の励磁が不十分な動作によって発生する故障の臨界除去時間が改善する。このことは、故障ライドスルー条件の送電系統運用規則の遵守に役立つ。

図１は、本発明の一実施形態による、発電所から配電網との相互接続点への、発電機からの故障電流の寄与を低減するシステム１００を示す概略図である。図１に示すように、システム１００は、発電機１０５を含んでおり、発電機１０５は、界磁巻線１１０及び発電機端子１１５を有している。界磁巻線１１０は、界磁励磁電流を受けて磁界を発生させるように構成されており、発電機端子１１５は、界磁巻線１１０に印加される界磁励磁電流に応じた出力電圧を発生させるように構成されている。本発明の各種実施形態を簡単に示すために、発電機に関連する他の部品は、図１には示していない。発電機１０５が、界磁巻線１１０が巻きつけられたロータと、電機子巻線に包まれたステータの中に取り付けられたロータシャフトと、を有することは、当業者であれば理解できよう。運転時には、ロータシャフトが（蒸気タービンやガスタービン等の）タービンによって駆動されることによって、ロータの界磁巻線１１０が、界磁励磁電流の供給を受けて一定磁界を発生させる。この磁界は、ステータの電機子巻線と相互作用して、発電機端子１１５に出力電圧を発生させる。

これも当業者であれば理解できるように、図１は、発電機１０５に関連する補助システムの全てを示しているわけではない。例えば、当業者であれば理解できるように、発電機１０５に可能な典型的な補助システムとして、発電機冷却装置（熱交換機）に提供される水又は他の冷却剤の供給源、ステータ巻線冷却システム、水素を一次冷却剤として用いる発電機に対する水素供給及び制御システム、軸受潤滑システム等がある。

また、本発明の各種実施形態を簡単に示すために、発電機１０５と一緒に動作する、発電所の他の要素については、図１には示していない。当業者であれば理解できるように、発電所では、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、熱回収蒸気発電機等を使用可能である。

図１を更に参照すると、システム１００は更に、電流センサ１３０（例えば、電流変換器、ホール効果センサ、分流器、ロゴスキーコイル、光ファイバ電流センサ等）を介して発電機１０５の発電機端子１１５と結合された発電機ステップアップ変圧器１２０を含む。発電機ステップアップ変圧器１２０は、発電機端子１１５から発生する出力電圧を、配電網との相互接続のために調節するように構成されている。具体的には、発電機ステップアップ変圧器１２０は、発電機端子１１５から供給される電圧を、配電網に適合するレベルまで引き上げる。運転時には、発電機ステップアップ変圧器１２０は、高いインピーダンスを与えるために、広範囲の運転条件にわたって最大タップ選択で運転される。本明細書で用いる「高インピーダンス発電機ステップアップ変圧器」は、発電機のボルトアンペアに基づいて約１５％から約３５％の範囲のインピーダンスを有し得る巻線の間で、相互に結合されていない自己リアクタンスを増やした変圧器である。発電機ステップアップ変圧器１２０は、無負荷時タップ切換器又は負荷時タップ切換器を利用して、広範囲の運転条件にわたって最大タップ選択を得ることが可能である。本明細書で用いる「広範囲の運転条件にわたっての最大タップ選択」は、変圧器の高電圧側においてユニット当たり約１．０５から約１．２０の範囲を含む。

発電機ステップアップ変圧器１２０の最大タップ選択を使用すると、変圧器の巻線比が増える。巻線比が増えると、発電機ステップアップ変圧器１２０は、変圧器の高電圧側における故障電流の寄与を低減できるようになる。一実施形態では、発電機ステップアップ変圧器１２０の巻線比は、次式で定義される。

Ｖ_t：Ｖ_grid×ｎ_tap ・・・（１）
Ｖ_tは、発電機１０５の出力端子における電圧であり、Ｖ_gridは、配電網に供給される定格電圧であり、ｎ_tapは、配電網の開回路電圧を定義する定格外タップ範囲である。以下では、タップ及び巻線比を最大にして、発電機からの故障電流の寄与の低減を容易にすることについて、更に詳説する。

図１によると、システム１００は更に励磁システム１３５を含んでおり、励磁システム１３５は、直流（ＤＣ）電力の発生に用いる励磁供給を発電機１０５に向けて発生させるように構成されている。具体的には、界磁励磁源１４０が、励磁システム１３５から発生させた励磁供給を用いて、発電機１０５の界磁巻線１１０に直流電流を注入する。上述のように、直流電流又は界磁励磁電流を発電機の界磁巻線に注入することにより、発電機は、発電機端子１１５において出力電圧を容易に発生させることができる。励磁システム１３５は、ＤＣ電力の発生に用いられる励磁供給を提供可能な任意の市販の励磁機であってよい。一実施形態では、励磁システム１３５は、ゼネラル・エレクトリック社が提供するＥＸ２１００励磁システムであってよい。一実施形態では、界磁励磁源１４０は、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）ブリッジであってよい。当業者であれば理解できるように、発電機１０５に直流を注入するためには、他の装置も使用可能であり、例えば、回転式又はブラシレス式ＡＣ−ＤＣ整流器、バッテリ、又は他の静的電力周波数変換機器が使用可能である。

システム１００は更に、励磁システム補償器１４５を含んでおり、励磁システム補償器１４５は、電流センサ１３０及び励磁システム１３５と結合されている。励磁システム補償器１４５は、励磁システム１３５から界磁励磁源１４０を介して発電機１０５に供給される界磁励磁電流を調整するように構成されている。一実施形態では、界磁励磁電流を調整することにより、発電機１０５が発生させた無効電力に応じて発電機端子１１５における出力電圧が変化する。このことは、以下で説明するように、配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与を低減する一助となる。図１では、励磁システム補償器１４５を、励磁システム１３５とは別個の構成要素として示したが、当業者であれば理解できるように、励磁システム補償器１４５は、励磁システム１３５内の一機能としても存在可能であり、或いは、発電機１０５及び励磁システム１３５の動作を制御する制御装置の一部分としても存在可能である。発電機１０５及び励磁システム１３５の運転の制御に使用可能であって、励磁システム補償器１４５によって提供される補償機能に関連付けられた制御ストラテジの実装に使用可能である制御装置の一例として、ゼネラル・エレクトリック社が提供するＭＡＲＫ ＶＩｅ制御装置がある。

励磁システム補償器１４５は、システム１００内のどこに配置されるかにかかわらず、完全にハードウェアである実施形態でも、完全にソフトウェアである実施形態でも、ハードウェア要素及びソフトウェア要素の両方を含む実施形態の形式でも、実装可能である。一実施形態では、励磁システム補償器１４５によって実行される処理機能は、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含むソフトウェアの形で実装可能である。

更に、励磁システム補償器１４５によって実行される処理機能は、コンピュータ又は任意の命令実行システム（例えば、処理ユニット）によって使用される、又は、コンピュータ又は任意の命令実行システムと関連して使用されるプログラムコードを提供する、コンピュータで使用可能な、又はコンピュータ可読な媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形式をとり得る。本明細書の目的のためには、コンピュータで使用可能な、又はコンピュータ可読な媒体は、コンピュータ又は命令実行システムによって使用される、又はコンピュータ又は命令実行システムと関連して使用されるプログラムを収容又は記憶できる任意のコンピュータ可読媒体であってよい。

このコンピュータ可読媒体は、電子式、磁気式、光学式、電磁式、赤外線式、又は半導体式のシステム、機器、又は装置であってよい。コンピュータ可読媒体の例として、半導体メモリ又は固体メモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、固体磁気ディスク、光ディスク等がある。現行の光ディスクとしては、例えば、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、読み出し／書き込みコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）等がある。

運転時には、励磁システム補償器１４５は、発電機１０５への界磁励磁電流の供給を調整するために励磁システム１３５が使用する補償電圧を決定するように構成されている。これによって、発電機１０５の電圧制御が行われ、配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与が低減する。具体的には、この補償電圧は、発電機端子１１５における出力電圧、電流センサ１３０で測定される発電機が発生させる電流、及び発電機１０５の初期過渡リアクタンス１２５に比例する所定のインピーダンス補償に応じて導出される。周知のとおり、初期過渡リアクタンスは、発電機１０５に関連付けられた固有インピーダンスである。

図１は、初期過渡リアクタンス１２５の処理ブロックを示しているが、当業者であれば理解できるように、このパラメータは既に決定されており、これを図示している目的は、発電機１０５に関連付けられた固有インピーダンスがあって、これを後に励磁システム補償器１４５で利用することを示すことである。当該技術分野では周知のとおり、発電機の初期過渡リアクタンスを用いて、短絡電流を計算できる。配電網で短絡故障が発生した場合の故障電流は、接続されている機械（例えば、発電機）の内部電圧、機械のインピーダンス、及び故障箇所までのインピーダンスに応じて決まる。したがって、発電機の内部電圧及び発電機のインピーダンスによって、発電機の端子が短絡した場合に流れる電流が決まる。

励磁システム補償器１４５によって決定される上述の補償電圧は、次式に従って導出される。

Ｖ_c＝Ｖ_t＋Ｚ×Ｉ_g ・・・（２）
Ｖｃは補償電圧であり、Ｖ_tは、発電機端子１１５における電圧であり、Ｚは、発電機１０５に関連付けられた所定のインピーダンス補償であり、Ｉ_gは、電流センサ１３０で測定される、発電機１０５が発生させた電流である。

一実施形態では、発電機端子１１５における出力電圧を変化させるために、励磁システム１３５は、補償電圧Ｖ_cを用いて、界磁励磁源１４０を介して発電機１０５に与えられる励磁供給を調整する。具体的には、発電機ステップアップ変圧器１２０のタップ選択と励磁システム補償器１４５の使用との組み合わせによって引き起こされる出力電圧の変化は、発電機１０５から発生する無効電力に応じて決まる。一実施形態では、発電機１０５から発生する無効電力が増えると、発電機端子１１５における出力電圧が減る。この種の補償は一般的に行われており、これによって、同じバスにある複数の並列発電機でＶＡＲ負荷を分担することができ、且つ、個々の発電機の安定電圧制御を維持することにより、電力システムの需要に自動的に応えることができる。本発明の各種実施形態の目的として、この補償は、単一の発電機で安定電圧制御を行い、発電機の内部電圧を最小化することにより、発電機からの故障電流の寄与並びに開回路電圧を低減することを可能にする。基本的には、これによって、発電機ステップアップ変圧器１２０は、広範囲の運転条件にわたって最大タップ選択で運転され、送電系統に適した電圧制御及び無効電力サポートを提供できる。更に、システム１００は、発電機１０５の初期過渡リアクタンスに比例した補償を決定することにより、発電機１０５の内部の中間的な箇所における電圧を調整できる。

励磁システム補償器１４５によって与えられる補償と、最大タップ選択で動作する高インピーダンス発電機ステップアップ変圧器１２０を利用することとを組み合わせることにより、システム１００は、配電網との相互接続点から見た発電所のインピーダンスを効果的に高めることができる。結果として、一実施形態では、遅れ力率状態に対する応答として、補償によって発電機の内部電圧を減少させることが可能である。この実施形態では、内部電圧を減少させることによって、発電機ステップアップ変圧器の最大タップ選択が補償されて、配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与が低減される。別の実施形態では、進み力率状態に対する応答として、補償によって発電機の内部電圧を増大させることができる。この実施形態では、内部電圧を増大させることによって、発電機ステップアップ変圧器の最大タップ選択が補償される。進み力率状態において内部電圧を増大させることにより、発電機の励磁が不十分な動作から発生する故障の臨界除去時間を増大させることが容易になり、このことは、故障ライドスルー条件の送電系統運用規則の遵守に役立つ。いずれの実施形態でも、励磁システム補償器１４５によって与えられる補償と、発電機ステップアップ変圧器１２０の最大タップ選択とを組み合わせることにより、配電網との相互接続点における発電機からの故障電流の寄与を低減することが容易になる。この相互接続点は、配電網と接続される発電機ステップアップ変圧器の高電圧側にある。更に、励磁システム補償器１４５、並びに発電機ステップアップ変圧器１２０の最大タップ選択の構成により、システム１００は、故障が発生する前に、配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与を自動的に低減することができる。万一故障が発生した場合でも、励磁システム補償器１４５によって与えられる補償と、発電機ステップアップ変圧器１２０の最大タップ選択との組み合わせにより、システム１００では、故障発生時の故障電流がより小さくなる。

好適な実施形態に関連付けて本開示を具体的に示し、説明したが、明らかなように、その変形及び修正が当業者には想到可能である。したがって、添付の特許請求の範囲は、こうした修正及び改変も全て、本開示の概念に含むことを意図している。

１００ 発電機からの故障電流の寄与を低減するシステム
１０５ 発電機
１１０ 界磁巻線
１１５ 発電機端子
１２０ 発電機ステップアップ変圧器
１２５ 初期過渡リアクタンス
１３０ 電流センサ
１３５ 励磁システム
１４０ 界磁励磁供給
１４５ 励磁システム補償器

Claims (10)

1. 界磁巻線（１１０）及び発電機端子（１１５）を含む発電機（１０５）であって、前記界磁巻線（１１０）は、界磁励磁電流を受けて磁界を発生させるように構成されており、前記発電機端子（１１５）は、前記界磁巻線（１１０）に印加される前記界磁励磁電流に応じた出力電圧を発生させるように構成されている、発電機（１０５）と、
   前記発電機（１０５）の前記発電機端子（１１５）と結合されており、前記発電機端子（１１５）から発生する出力電圧を、配電網との相互接続のために調節するように構成されており、最大タップ選択で運転される発電機ステップアップ変圧器（１２０）と、
   前記発電機（１０５）の前記界磁巻線（１１０）に前記界磁励磁電流を供給するように構成された励磁システム（１３５）と、
   前記励磁システム（１３５）から前記発電機（１０５）に供給される前記界磁励磁電流を調整するように構成された励磁システム補償器（１４５）であって、前記界磁励磁電流を調整することにより、前記発電機（１０５）が発生させた無効電力に応じて前記発電機端子（１１５）における出力電圧が変化することで、前記配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与を低減する、励磁システム補償器（１４５）と、
   を備えるシステム（１００）。
2. 前記励磁システム補償器（１４５）は、前記発電機（１０５）への前記界磁励磁電流の供給を調整するために前記励磁システム（１３５）が使用する補償電圧を決定するように構成されており、前記補償電圧によって、前記発電機（１０５）の電圧制御が行われることで、前記配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与を低減する、請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記補償電圧は、前記発電機端子（１１５）における出力電圧、前記発電機（１０５）が発生させる電流、及び前記発電機（１０５）の初期過渡リアクタンスに比例する所定のインピーダンス補償に応じて導出される、請求項２に記載のシステム（１００）。
4. 前記補償電圧は、次式
   Ｖ_c＝Ｖ_t＋Ｚ×Ｉ_g
   に従って導出され、
   Ｖ_cは前記補償電圧であり、Ｖ_tは、前記発電機端子における電圧であり、Ｚは、前記所定のインピーダンス補償であり、Ｉ_gは、前記発電機（１０５）が発生させる電流である、請求項３に記載のシステム（１００）。
5. 前記補償電圧によって行われる前記発電機（１０５）の前記電圧制御は、遅れ力率状態に対する応答として前記発電機（１０５）の内部電圧を減少させることを含み、前記内部電圧を前記減少させることによって、前記発電機ステップアップ変圧器（１２０）の前記最大タップ選択が補償されて、前記配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与が低減される、請求項２に記載のシステム（１００）。
6. 前記補償電圧によって行われる前記発電機（１０５）の前記電圧制御は、進み力率状態に対する応答として前記発電機（１０５）の内部電圧を増大させることを含み、進み力率状態において前記発電機（１０５）の前記内部電圧を前記増大させることにより、前記発電機の励磁が不十分な動作から発生する故障の臨界除去時間を増大させることが容易になる、請求項２に記載のシステム（１００）。
7. 前記内部電圧を前記増大させることによって、前記発電機ステップアップ変圧器（１２０）の前記最大タップ選択が補償されて、前記配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与が低減される、請求項６に記載のシステム（１００）。
8. 前記発電機ステップアップ変圧器（１２０）の前記最大タップ選択は、前記発電機ステップアップ変圧器（１２０）に対して設定された巻線比に応じて決定され、前記発電機ステップアップ変圧器（１２０）の前記巻線比は、次式
   Ｖ_t：Ｖ_grid×ｎ_tap
   で定義され、
   Ｖ_tは、前記発電機（１０５）の前記出力端子（１１５）における電圧であり、Ｖ_gridは、前記配電網に供給される電圧であり、ｎ_tapは、前記配電網の開回路電圧を定義する定格外タップ範囲である、請求項１に記載のシステム（１００）。
9. 前記配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与の前記低減は、故障発生前の前記発電機（１０５）の正常運転モードの間に達成される、請求項１に記載のシステム（１００）。
10. 配電網との相互接続点に対する、発電所からの故障電流の寄与を低減するシステム（１００）であって、
    界磁巻線（１１０）及び発電機端子（１１５）を含む発電機（１０５）であって、前記界磁巻線（１１０）は、界磁励磁電流を受けて磁界を発生させるように構成されており、前記発電機端子（１１５）は、前記界磁巻線（１１０）に印加される前記界磁励磁電流に応じた出力電圧を発生させるように構成されている、発電機（１０５）と、
    前記発電機（１０５）の前記発電機端子（１１５）と結合されており、前記発電機端子（１１５）から発生する出力電圧を、配電網との相互接続のために調節するように構成されており、最大タップ選択で運転される発電機ステップアップ変圧器（１２０）と、
    前記発電機（１０５）の前記界磁巻線（１１０）に前記界磁励磁電流を供給するように構成された励磁システム（１３５）と、
    前記発電機（１０５）への前記界磁励磁電流の供給を調整するために前記励磁システム（１３５）が使用する補償電圧を決定するように構成された励磁システム補償器（１４５）であって、前記補償電圧によって、前記発電機（１０５）の電圧制御が行われることで、故障発生前の前記発電機（１０５）の正常運転モードの間に、前記配電網に対する、発電機からの故障電流の寄与を低減する、励磁システム補償器（１４５）と、
    を備えるシステム（１００）。

Images