JP2012500608A - 異なる回路網周波数を有する電力回路網において選択的に運転するための発電所設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる回路網周波数を有する電力回路網において選択的に運転するための発電所設備を提供する。
【解決手段】 本発明は、タービンと、そのタービンによって直接駆動されて、ある１つの運転周波数の交流電力を発生する発電機１８とからなる、少なくとも１つの軸系１１を備えた発電所設備１０に関する。この少なくとも１つの発電機１８は、１つの電子的周波数変換器２７と少なくとも１つの昇圧変圧器３、４とを介して、第１の運転周波数を有する第１の電気回路網１、または第２の運転周波数を有する第２の電気回路網２に選択的に電気出力を供給する。本発明は、さらに、この種の発電所設備１０の運転方法に関する。

Description

本発明は発電所技術の分野に関する。本発明は、発電機と回路網との間に電子的周波数変換装置を備えた発電所設備、および、この種の発電所の運転方法に関する。

電力を発生する発電機がタービンによって駆動され、生成された電気出力が所定の回路網周波数（例えば５０または６０Ｈｚ）の回路網に配電される１００ＭＷより大きい出力範囲を有する大型の発電所設備においては、通常、タービンの（機械的）回転数と回路網の周波数との間の繋がりが固定されている。この場合、発電機の出力側は、回路網接続装置を介して周波数固定して回路網に接続され、一方、発電機は、タービンによって、直接的に（１軸設備）、あるいは機械的伝動装置を介して回転数連結して駆動される。伝動装置によって、タービンおよび回路網周波数の間の固定された伝達比のみが実現される。

このタービンは、一般的に、電力発生するための発電機駆動用として発達してきたものであり、生成された電力は所定の回路網周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の回路網に配電される。

図１は、既知の方式の発電所設備１０’をきわめて簡素化した表現で示している。この発電所設備１０’は、第１発電機１１８が連結されたガスタービン１２と、第２発電機１０８が連結された蒸気タービン２４とによって電力を発生し、回路網１に配電する。ガスタービン１２および発電機１１８は、共通軸１９によって連結されており、軸系１１を形成する。ガスタービンは、最も単純化した場合には、空気流入ライン１６から燃焼空気を吸引して圧縮するコンプレッサ１３を含む。コンプレッサ１３は、互いに前後に接続された複数の部分圧縮機要素から構成できるが、この複数の部分圧縮機要素は、上昇する圧力レベルにおいて作動し、かつ、場合によっては圧縮空気の中間冷却を可能にする。コンプレッサ１３において圧縮された燃焼空気は燃焼チャンバ１５に達し、燃焼チャンバ１５内では、液体（例えば石油）または気体（例えば天然ガス）の燃料が、燃料供給ライン１７から噴射されて燃焼空気によって燃焼する。

燃焼チャンバ１５から排出される高温ガスは、後続のタービン１４内において仕事をするように放出され、コンプレッサ１３および連結された第１発電機１１８を駆動する。タービンから流出する際になお比較的高温である排ガスは、後続の廃熱蒸気発生器２３を通して送られ、別個の水−蒸気循環ライン２５において、蒸気タービン２４を駆動する蒸気を発生する。この水−蒸気循環ライン２５のコンデンサ、給水ポンプおよび他の装置は、表現の簡単化のため表示されていない。このようなガスタービン発電設備と蒸気発電設備との組み合わせは複合サイクル発電所（Ｋｏｍｂｉｋｒａｆｔｗｅｒｋ）と呼称される。この場合、蒸気タービン２４を、第１発電機１１８と、タービン１４との反対側で連結することが可能である。すなわち、この方式の場合は、ガスタービン１２と第１発電機１１８と蒸気タービン２４とは、いわゆる「単一軸パワートレイン（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｈａｆｔ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｉｎ）」を形成する。しかし、図１に示すように、蒸気タービン２４が、固有の第２の発電機１０８を別個の軸系１１’において駆動することも可能である。複数軸設備の場合には種々の組合せが知られている。例えば、いわゆる２対１配置、すなわち、第２発電機１０８を有する軸系１１’の蒸気タービン２４に、２つのガスタービン１２に後接続される２つのボイラ２３から蒸気が供給される配置が、広く行われている。この配置の場合、ガスタービン１２は、それぞれ、固有の第１発電機１１８を有する軸系１１上に配置される。同様に、３基以上のガスタービン１２にそれぞれ後接続されるボイラ２３からの蒸気が蒸気タービン２４の駆動に用いられる配置もある。

図１の１軸ガスタービンの場合は、ガスタービン１２の回転数は、第１発電機１１８において生成される交流電圧の周波数であって回路網１の回路網周波数に等しい周波数に対して固定された比率になっている。現在一般的な１００ＭＷを超える出力の大型ガスタービンユニットにおいては、６０Ｈｚの発電機周波数または回路網周波数は、３６００回転／分のガスタービン（例えば出願人のガスタービンＧＴ２４）の回転数に対応し、５０Ｈｚの発電機周波数は、３０００回転／分の回転数（例えば出願人のガスタービンＧＴ２６）に対応する。

異なる電圧および周波数を有する回路網に電力を配電するような使用法の場合には、慣例的に、電力を、ある１つの周波数の交流電力として生成し、その後必要に応じて、周波数変換器によって第２の周波数に変換している。これは、通常、インバータが後接続された整流器によって行われる。この周知の実例は、ブラジル−パラグアイ国境のＩＴＡＩＰＵである。発電所に用いる周波数変換器は、当然ながら高い被伝達出力に対応して高価であり、さらに出力損失を伴う。電力を発電所から異なる周波数の消費機器または回路網に直接供給するという原理的な可能性は、スイス出願の特許文献１において初めて言及された。

スイス特許出願第００２４６／０７号明細書 欧州特許出願公開第１１９９７９４Ａ２号明細書 欧州特許出願公開第１５６１２７３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１６４５３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１６４６３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１６４６４Ａ１号明細書

本発明の目的は、異なる回路網周波数を有する電力回路網に給電するための発電所設備であって、既知の発電所設備の欠点を回避すると共に、特に、電気出力を、異なる運転周波数を有する電力回路網に、同時に高い効率において送電することを可能にする発電所設備を創出すること、さらに、その運転方法を提供することにある。

この目的は、請求項１および９の特徴の総体によって解決される。本発明の本質的な点は、タービンによって駆動される発電機と、電力を電力回路網に配電する昇圧変圧器との間に、発電機の出力周波数を有する電力を第１または第２の回路網の運転周波数に選択的に変換する電子的周波数変換器を配置する、という点にある。

電力供給を正しい電圧で実現するために、例えば、第１の電気回路網との接続用として、電子的周波数変換器と第１回路網との間に、第１の電圧比を有する第１の昇圧変圧器が配置される。対応して、第２の回路網との接続用として、電子的周波数変換器と第２回路網との間に、第２の電圧比を有する第２の昇圧変圧器が配置される。

代わりの方式として、例えば、２つの電圧を選択的に取り出すことができる少なくとも１つの昇圧変圧器を、電気回路網との接続用として使用することが可能である。第１の電気回路網との接続用として第１の電圧比が取り出され、第２の回路網との接続用として第２の電圧比が取り出される。

それぞれ少なくとも１つの発電機を備えた少なくとも２つの軸系を有する発電所の運転を弾力的なものにするための別のステップは、各発電機を、１つの周波数変換器と少なくとも１つの高電圧開閉器と少なくとも１つの昇圧変圧器とを介して、第１の運転周波数を有する第１回路網または第２の運転周波数を有する第２回路網に選択的に接続できるようにする構成である。これによって、発電所の運転を最適化するために、両回路網のいずれかのみに選択的に電力を供給するか、あるいは、両回路網に並行して電力を供給することが可能になる。

２つの電力回路網に配電する装置を備えた発電所設備の他に、その運転方法が提案される。この方法は、第１の回路網周波数を有する第１の電力回路網に配電するために、周波数変換器を、それが第１の回路網周波数の出力電力を発生するように操作するという特徴、および、その周波数変換器を、昇圧変圧器を介して第１の電力回路網に接続するという特徴を有する。さらに、この方法は、第２の回路網周波数を有する第２の電力回路網に配電するために、周波数変換器を、それが第２の回路網周波数の出力電力を発生するように操作し、かつ、その周波数変換器を、昇圧変圧器を介して第２の電力回路網に接続する、という特徴を有する。

本発明のさらに別の重要な側面は、電力が供給される回路網の周波数とは無関係にある１つの運転周波数で作動可能な発電所固有の電力回路網への給電である。

発電所固有の電力回路網は、通常、中電圧の回路網として構成されるので、中電圧回路網に関する別の議論を行うことになるが、それは制限と解釈されるべきではない。その中電圧の回路網から、燃焼ガスコンプレッサ、ＮＯｘ−水ポンプ、および局所的消費機器用の低電圧回路網のような種々の比較的大きな消費機器に給電される。慣例的には、中電圧の回路網には、発電機から補助変圧器を介して給電される。この場合、中電圧の回路網の周波数は発電機の周波数と同じである。

本発明によれば、発電所固有の電力回路網に配電するために、発電所を運転するための新しい回路および方法が提案される。特に、中電圧の回路網への選択的な給電を、補助変圧器を介して、あるいは、補助変圧器に直列に接続された補助周波数変換器を介して行うことが提案される。生成された電力が電子的周波数変換器から第１の運転周波数で供給され、かつ、中電圧の回路網の周波数がその第１運転周波数に等しい場合は、中電圧回路網に補助変圧器を介して直接給電される。生成された電力が電子的周波数変換器から第２の運転周波数で供給され、かつ、中電圧の回路網の周波数が第１の運転周波数に等しい場合は、中電圧回路網に、補助周波数変換器および補助変圧器を介して給電される。この場合、補助周波数変換器は、発電所固有の中電圧回路網に必要な電力を、その回路網周波数に変換する。この変換は、通常、中電圧への変圧の前に行われる。最初に中電圧に変圧し、その後周波数変換する構成も、同様に考えられる。この方式は、高価な高電圧開閉器を使用せずに中電圧の開閉器を用いることができるという点で有利でさえあり得る。

別の方式として、開閉器および導線ラインの個数を最小化するために、発電所固有の電力回路網への電力供給を、電子的周波数変換器の出力周波数とは無関係に、常に、補助周波数変換器を介して行うことができる。この場合、この補助周波数変換器は、それが発電所固有の中電圧の回路網の運転周波数の電力を供給するように接続される。電子的周波数変換器の出力周波数が発電所固有の中電圧回路網の運転周波数に等しい場合には、補助周波数変換器は周波数比１で作動する。これは、この運転態様の場合、補助周波数変換器が、有効に使用されることなく出力損失をもたらすことを意味する。伝達される出力は発電所の全出力に対して相対的に僅かであるので、この出力損失は重要とは見做されず、その結果、さらに運転方法の簡素化をも可能にするこの簡易な構成は、全体として有利であるとすることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、第１の回路網周波数は第２の回路網周波数と明確に異なっている。この場合、第１の回路網周波数は第２の回路網周波数よりも小さいか大きいかのいずれかであり、小さい場合、第２の回路網周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。特に、第２の回路網周波数を６０Ｈｚ、第１の回路網周波数を５０Ｈｚとすることができる。

あるいは、第１の回路網周波数が第２の回路網周波数よりも大きい場合、第２の回路網周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。特に、第２の回路網周波数を５０Ｈｚ、第１の回路網周波数を６０Ｈｚとすることができる。

この場合、出力用のタービンは５０ＭＷより大きく構成することが望ましい。

電子的周波数変換器はマトリックスコンバータの形態であることが望ましい。これは、（ｍ×ｎ）マトリックスに配置される操作可能な双方向の複数のスイッチであって、制御器によって操作されながら、ｍ個の入力をｎ個の出力（但しｍ＞ｎ）に選択的に接続するスイッチを含む。マトリックスコンバータを用いることによって出力損失を小さく維持することが可能になる。

代わりの方式として、例えば、周波数コンバータの使用も考えられる。これは、直流または直流電圧の中間回路に配電する整流器と、この中間回路から配電されるインバータであって、第１または第２の運転周波数の交流を選択的に発生するインバータとから構成される。

次に、本発明を、実施例に基づいて、図面に関連付けて詳しく説明する。

ガスタービンおよび後続の水−蒸気循環ラインを備えた現行技術による複合サイクル発電所のきわめて簡素化された回路図を示す。 現行技術による発電所設備の単線図（単線回路図）からなるきわめて簡素化された抜粋図を示す。 本発明の一実施例による発電所設備であって、２つの回路網に配電するための２つの昇圧変圧器を備えた発電所設備の単線図からなるきわめて簡素化された抜粋図を示す。 本発明の一実施例による発電所設備であって、２つの回路網に配電するための１つの昇圧変圧器を備えた発電所設備の単線図からなるきわめて簡素化された抜粋図を示す。 本発明の一実施例による発電所設備であって、２つの回路網に配電するための２つの昇圧変圧器と、補助システムへのコスト最適化された電力供給系とを備えた発電所設備の単線図からなるきわめて簡素化された抜粋図を示す。 本発明の一実施例による発電所設備であって、２つの回路網に配電するための２つの昇圧変圧器と、タービン作動中に配電を第１回路網から第２回路網に切り換えるための回路とを備えた発電所設備の単線図からなるきわめて簡素化された抜粋図を示す。 ガスタービンおよび後続の水−蒸気循環ラインを備えた本発明の一実施例による複合サイクル発電所のきわめて簡素化された回路図を示す。 電子的周波数変換器として図７の設備において使用可能なマトリックスコンバータの、例としての内部構造を示す。

図２に、現行技術による発電所設備の単線図からなるきわめて簡素化された抜粋図を示す。この図は、少なくとも１つのタービンによって駆動される従来型の発電機１０８、１１８であって、その出力が発電所の高電圧回路網５を経由して伝送される発電機１０８、１１８を示している。この回路網は、高電圧導線ラインと、発電機を発電所の高電圧回路網５から切り離すことができる発電機出力開閉器６とを含む。発電機１０８、１１８によって生成される電力は、（第１の）昇圧変圧器３および回路網高電圧開閉器２１を介して（第１の）回路網１に配電される。また、補助変圧器４２および高電圧開閉器６４を介して、中電圧回路網５４とこれから給電される低電圧回路網５０とから構成される発電所固有の電力回路網に給電される。例えば駆動装置、制御器、測定器または制御装置のような小型の消費機器５１が接続される低電圧回路網５０には、少なくとも１つの補助システム変圧器４５を介して中電圧回路網５４から給電される。ＮＯｘ水ポンプまたは燃焼ガスコンプレッサのような比較的大型の消費機器には、固有の補助駆動装置変圧器を介して中電圧の回路網５４から直接給電される。

発電機励磁機電流は、発電所の高電圧回路網５から取られ、励磁機変圧器７を介して励磁機電圧に変圧され、静止励磁装置４３において整流され、制御される。励磁機開閉器４７によって、励磁装置を接続、遮断できる。

ガスタービンの発電機の場合、発電機は、通常、始動のためにモータとしても接続される。このため、電流は、発電所の高電圧回路網５から、変圧器および静止周波数コンバータ６３を介して給電される。静止周波数コンバータ６３は、始動開閉器２６によって発電機１０８、１１８に接続し、またはそれから切り離すことができる。

この例および以下の例においては、発電機の出力電圧と、それに対応して発電機に接続される回路網とを発電所固有の高電圧回路網５と呼称する。低電圧、中電圧および高電圧については種々の定義がある。この例においては、低電圧は３８０Ｖ〜４１５Ｖの範囲、中電圧は６０００Ｖ〜１１０００Ｖの範囲、高電圧は２１０００Ｖより高い電圧で作動する。文献においては電圧範囲として種々の定義がある。３５ｋＶ、３８ｋＶを超えて初めて高電圧とするような定義、あるいは、６９ｋＶを超えて漸く高電圧とするような定義がある。ここで選定された命名法は制限と理解されるべきではない。

図３には、本発明による発電所の第１実施形態が表現されている。従来の発電所とは対照的に、発電所の高電圧回路網５が、発電機８、１８に直接接続されるのではなく、電子的周波数変換器２７を介して接続されている。

通常、異なる回路網周波数を有する２つの電力回路網は異なる運転電圧を有している。これに対応して、２つの回路網高電圧開閉器２１ａ、ｂと２つの昇圧変圧器３、４とが設けられる。

電力を第１回路網１に配電するためには、発電所の高電圧回路網５を、第１の運転周波数で運転すると共に、回路網高電圧開閉器２１ａおよび第１の昇圧変圧器３を介して第１回路網１に接続する。

電力を第２回路網２に配電するためには、発電所の高電圧回路網５を、第１の運転周波数で運転すると共に、回路網高電圧開閉器２１ｂおよび第２の昇圧変圧器４を介して第２回路網２に接続する。

本発明の利点は、中電圧回路網５４および低電圧回路網５０を、その消費機器と共に、従来の発電所のそれに対して殆ど変化させずにかつ同一に構成できる点にある。中電圧回路網５４への配電そのものは、発電所の高電圧回路網５の選択周波数に応じて、高電圧開閉器６４ａおよび補助変圧器４２を介して直接的に行われるか、あるいは、高電圧開閉器６４ｂと補助周波数変換器４１と補助変圧器４２とを介して行われる。

発電所の高電圧回路網５の周波数が中電圧回路網５４の周波数と等しい場合は、高電圧開閉器６４および補助変圧器４２を介しての直接送電が選択される。発電所の高電圧回路網５の周波数が中電圧回路網５４の周波数に等しくない場合は、高電圧開閉器６４と補助周波数変換器４１と補助変圧器４２とを介しての送電が選択される。

図３に示す例においては、発電所固有の中電圧回路網５４が５０Ｈｚとして設計されている。第１回路網１は同様に５０Ｈｚに、第２回路網は６０Ｈｚに設計されている。

電力を第１回路網１に送電するためには、発電所の高電圧回路網５を電子的周波数変換器２７によって５０Ｈｚで運転し、電力を、第１昇圧変圧器３を介して第１回路網１に送電する。中電圧回路網５４には、補助変圧器４２を介して５０Ｈｚの中電圧を直接給電することが可能である。

電力を第２回路網２に送電する場合には、発電所の高電圧回路網５を電子的周波数変換器２７によって６０Ｈｚで運転し、電力を、第２昇圧変圧器４を介して第２回路網２に配電する。中電圧回路網５４に給電するためには、発電所の高電圧回路網５の電力を補助周波数変換器４１によって６０Ｈｚから５０Ｈｚに変換して、それを、補助変圧器４２を介して中電圧回路網５４に送電する。

発電機８、１８は、タービン始動時には電子的周波数変換器２７を介して電気モータとして運転できるので、本発明による構成の場合、静止周波数コンバータ６３と、それに付属する導線ラインおよび開閉器とが省略される。

図４においては、本発明による発電所の第２の実施形態が表現されている。これは、図３の実施形態と本質的には同じであるが、特に、１つの昇圧変圧器３、４によって２つの異なる回路網電圧への昇圧を可能にするという特徴を有する。第１回路網１に送電する場合には、第１回路網の電圧および周波数を有する電流を昇圧変圧器３、４から取り出して、回路網高電圧開閉器２１ａを介して送電する。第２回路網２に送電する場合は、第２回路網の電圧および周波数を有する電流を昇圧変圧器３、４から取り出して、回路網高電圧開閉器２１ｂを介して送電する。

両回路網１、２の間の電磁的な結合を避けるために、この実施形態においては、回路網１、２と昇圧変圧器３、４との間に、回路網高電圧開閉器２１ａ、ｂが配置される。

図５には、本発明による発電所のさらに別の実施形態が表現されている。この実施形態は、図３の実施形態に対して、補助システムへの電力供給がコスト最適化されているという点で異なっている。並行して設けられる導線ラインおよび高電圧開閉器６４の個数を削減するために、中電圧回路網５４への送電を、補助周波数変換器４１と補助変圧器４２と中電圧開閉器４６とを介して、ただ１本の導線ラインで行う。その結果、発電所の中電圧回路網５４には、常に、補助周波数変換器４１を介して給電される。

補助周波数変換器４１の周波数比は、発電所の高電圧回路網５の運転周波数に対する中電圧回路網５４の設計周波数の比に等しい。

例えば、電子的周波数変換器２７が、発電所の高電圧回路網５に中電圧回路網５４の周波数で給電する場合には、補助周波数変換器４１の周波数比は等しく１である。

図３に基づいて、図６に、本発明による発電所のさらに別の実施形態が示されている。この実施形態は、第１回路網１から第２回路網２への送電の切り換えを、タービンを停止することなく可能にするという特徴を有する。電子的周波数変換器２７としてマトリックスコンバータを選択することが好ましい変形態様として提示されるが、この選択を行った場合には、出力周波数を、第１周波数から第２周波数に突変的に転換することが理論的に可能である。しかし、付属の回路網高電圧開閉器２１ａ、ｂおよび高電圧開閉器６４ａ、ｂをこの切り換え操作と同期させること、および、位相を回路網の位相と同期させることと、突然の開閉操作が回路網の安定性に及ぼす影響とが問題である。従って、切り換え操作のために、タービンを最初に負荷から切り離してアイドリング運転に移行させ、続いて電子的周波数変換器２７を新しい目標回路網と同期させ、その後、タービンを再度負荷運転することが有利である。これをタービンの停止なしに可能にするためには、切り換え操作の間、補助システムへの電力供給を確保しなければならない。これは、例えば、発電機８、１８とは無関係に、回路網１、２から電力供給することによって可能になる。しかし、出力が回路網１、２のいずれかに供給される正常運転の間は、発電所１０は通常自己充足型設備であり、それに対応する回路が設けられる。

第１回路網１から第２回路網２への切り換えをタービンの停止なしに可能にし、かつ、正常運転の間の発電所の自己充足性を確保するために、高電圧回路網５を２つの部分に分割することが提案される。図６に示すように、高電圧回路網の第１部分５ａは、発電機８、１８を電子的周波数変換器２７の入力側と接続する。さらに、高電圧回路網５ａは、例えば、電子的周波数変換器２７の出力側を、回路網高電圧開閉器２１ａ、ｂおよび昇圧変圧器３、４を介して選択的に第１回路網１または第２回路網２に接続する。高電圧回路網の第２の部分５ｂは、補助変圧器４２を、高電圧開閉器６４ａおよび第１昇圧変圧器３を介して第１回路網１に接続する。さらに、高電圧回路網５ｂは、補助変圧器４２を、補助周波数変換器４１と高電圧開閉器６４ｂと第２昇圧変圧器４とを介して、第２回路網２に接続する。高電圧回路網５ｂは、回路網高電圧開閉器２１ａ、ｂによって、中電圧回路網５４を発電所の高電圧回路網５ａから完全に切り離すことを可能にすると共に、高電圧開閉器６４ａ、ｂによって、第１回路網１または第２回路網２からの給電を可能にする。正常な負荷運転の間は、発電所固有の高電圧回路網５ａからの給電、並びに、異なる高電圧回路網（１および５ａあるいは２および５ａ）からの給電の組合せを実現できる。

出力の配電を第１電力回路網１から第２電力回路網２に切り換える方法は、例えば次のように実施できる。すなわち、回路網高電圧開閉器２１ａおよび高電圧開閉器６４ａが閉じられ、回路網高電圧開閉器２１ｂおよび高電圧開閉器６４ｂが開かれたタービンの負荷運転から出発して、タービンの負荷を切り離す。アイドリング運転においては、回路網高電圧開閉器２１ａは開かれ、発電機８、１８が回路網から切り離される。この場合、補助システムには、昇圧変圧器３と発電所固有の高電圧回路網と高電圧開閉器６４ａと補助変圧器４２とを介して、第１回路網１から給電される。第２回路網に切り換えるために、高電圧開閉器６４ｂを閉じて、補助周波数変換器４１の出力を第１回路網１の周波数に同期させる。この同期が行われるとすぐに、補助システムへの電力供給を、第２回路網２から行うことが可能になり、高電圧開閉器６４ａを開くことによって第１回路網１から切り離すことができる。

さらに、電子的周波数変換器２７の出力電流を第２回路網２の周波数に同期させる。これが行われるとすぐに、回路網高電圧開閉器２１ｂを閉じて、タービンを負荷運転に移行させる。補助周波数変換器４１および電子的周波数変換器２７の同期の順序は交換することも可能であるし、あるいは同時に行ってもよい。

出力配電の第２電力回路網２から第１電力回路網１への切り換えは、本質的に同様のステップで行われる。中電圧回路網５４の周波数制御が、第１回路網１の周波数とは無関係に、固有のクロック発振器によって行われる限り、中電圧回路網５４への第２回路網２からの給電を第１回路網１からの給電に切り換える場合、高電圧開閉器６４ａを閉じる前に、補助周波数変換器４１の出力を第１回路網の周波数に同期させるべきである。

図７に、本発明による発電所設備１０の例としての１つの複合サイクル発電所の簡単な概略図を示す。ガスタービン１２および第１発電機１８を備えたタービン軸系１１と、蒸気タービン２４のタービン軸系１１’とは図１のそれぞれの軸系に対応する。ガスタービン１２の発電機１８および蒸気タービン２４の発電機１は、両者共、回路網高電圧開閉器２１ａ、ｂを介して第１回路網１または第２回路網２に選択的に接続可能である。水−蒸気循環ライン２５のコンデンサ、給水ポンプおよび他の装置の表現は、図のスペースの都合から図７では同様に省略されている。

基本的に、ガスタービンは、順次燃焼方式によるガスタービン１２として構成される。ガスタービン１２を操作または制御するために、コンプレッサ１３の入口における少なくとも１列の調整可能なコンプレッサ案内翼と、燃焼チャンバ１５、１５'に対する燃料供給１７、１７’の制御装置とが役立つ。対応する操作信号は、決定された入力パラメータに従って操作装置または制御装置からもたらされる。この入力パラメータは、個々に、あるいは選択可能な組合せにおいて用いることができる。考えられるパラメータは、コンプレッサ入口温度、コンプレッサ出口温度、およびコンプレッサ出口におけるコンプレッサ終端圧力である。通常用いられるさらに別のパラメータは第１および第２タービン１４ａ、１４ｂの出口温度である。第１および第２タービンは、例えば、冷却空気５２によって冷却される。ガスタービン１２および制御装置３９の間の信号の交換は、信号ライン４０によって簡単に表現されている。

ガスタービン１２の回転数は、例えば、第１発電機１８における発電機周波数を介して測定可能であり、測定値信号ライン４８経由で制御装置３９に送られる。回路網１、２の回路網周波数測定用として、回路網周波数検出器４９を設けることができる。最後に、目標出力に関する値を制御装置３９に入力できる。

制御装置３９は、ガスタービン１２および第１発電機１８の出力および回転数を、これらのパラメータの１つまたは複数、あるいは別のパラメータに従って制御する。従来型の発電所設備とは違って、電子的周波数変換器２７を用いることによって、回転数を回路網１、２の回路網周波数とは無関係に制御できる。

回転数の制御は、代わりの方式として、例えば次のような方法でも行うことができる。すなわち、ガスタービンの制御装置３９において計算された設定回転数を電子的周波数変換器２７の制御器に伝送し、その設定回転数を、発電機を介してガスタービン１２に強制的に実現させるという方法である。この場合、第１発電機１８は、電子的周波数変換器２７を介して、ガスタービン１２に比べて殆ど静的な回路網１、２に繋がれており、回路網とガスタービンの機械的な回転数との間の周波数比を制御することによって設定回転数を強制的に実現させる。この点に関して、殆ど静的な回路網１、２ということは、回転数の変化、または当該タービン１２から回路網１、２に供給される出力の変化の結果としての回路網周波数の変化が非常に小さく、制御プロセスにおいて無視し得るかあるいは容易に補償できることを意味している。すなわち、特に、強制的に実現されるガスタービン回転数を適合させる際、結果的に生じるかもしれない回路網周波数の変化は少なくとも１桁小さい。結果的に生じる回路網周波数の変化は、通常、回路網のノイズの中で測定不可能乃至測定困難であろう。

水−蒸気循環ライン２５は、この例においては、水−蒸気循環ライン制御器５５によって制御される。水−蒸気循環ライン制御器５５は、温度、質量流量またはバルブ位置、およびボイラの圧力のようなボイラ２３の制御に必要なすべての運転状態を信号ライン５７経由で得て、制御信号を、導線ライン５７経由でボイラ２３に送る。蒸気タービン２４の運転状態に基づいて、この蒸気タービン２４も同様に水−蒸気循環ライン制御器５５によって制御される。この場合、蒸気タービン２４の回転数は、例えば、発電機周波数を介して第２発電機８において測定することが可能であり、それは、測定値信号ライン４８を経由して水−蒸気循環ライン制御器５５に入力される。回路網１、２の回路網周波数測定用として、回路網周波数検出器４９を設けることができる。制御信号は、信号ライン６２を経由して蒸気タービン２４と交換される。

従来型の発電所設備とは対照的に、蒸気タービン２４の回転数も、電子的周波数変換器２７を用いて、回路網１、２の回路網周波数とは無関係に制御できる。

回転数の制御は、代わりの方式として、例えば次のような方法でも行うことができる。すなわち、蒸気タービンの水−蒸気循環ライン制御器５５において計算された設定回転数を電子的周波数変換器２７の制御器に伝送し、その設定回転数を、発電機を介して蒸気タービン２４に強制的に実現させるという方法である。この場合、第２発電機８は、電子的周波数変換器２７を介して、蒸気タービン２４に比べて殆ど静的な回路網１、２に繋がれており、回路網と蒸気タービン２４の機械的な回転数との間の周波数比を制御することによって設定回転数を強制的に実現させる。この点に関して、殆ど静的な回路網１、２ということは、回転数の変化、または当該蒸気タービン２４から回路網１、２に供給される出力の変化の結果としての回路網周波数の変化が非常に小さく、制御プロセスにおいて無視し得るかあるいは容易に補償できることを意味している。すなわち、特に、強制的に実現される蒸気タービン回転数を適合させる際、結果的に生じるかもしれない回路網周波数の変化は少なくとも１桁小さい。結果的に生じる回路網周波数の変化は、通常、回路網のノイズの中で測定不可能乃至測定困難であろう。

ユニット制御器５６は発電所設備１０の上位制御を実行する。それは、信号ライン５８を経由してガスタービン１２の制御装置３９と信号交換し、信号ライン５９を経由して水−蒸気循環ラインの制御器５５と信号交換する。

実際には、水−蒸気循環ラインは、殆どの場合、水−蒸気循環ラインの制御器５５によって制御されるのではなく、それぞれがユニット制御器５６と通信する一連の制御器を介して制御される。この一連の制御器は、例えば、蒸気タービン用の制御器、ボイラ用の制御器、あるいはコンデンサおよび給水ポンプのような補助システム用の制御器である。

電子的周波数変換器２７は―出力損失を制限するために―直流の中間回路なしのマトリックスコンバータとして構成することが望ましい。このようなマトリックスコンバータの１つで、その操作方式のために特に低損失で作動するマトリックスコンバータの構成および作動様式が特許文献２に記載されている。このようなマトリックスコンバータのさらに別の実施形態が、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６に記載されている。図８に、６つの入力位相と３つの出力位相とを備えたマトリックスコンバータの原理図を示す。このマトリックスコンバータ２７は、電源としての発電機８、１８の６つの位相Ｇ１、・・・、Ｇ６を、時間的な順序で、負荷３０の３つの位相Ｌ１、・・・、Ｌ３に結合する。このために必要な出力部分２９は、逆並列に接続されたサイリスタの形態の１８個の双方向スイッチ３２を含む（一般的な場合にはｍ個の入力／電源位相およびｎ個の出力／負荷位相に対してｍ×ｎ個のスイッチがある）。スイッチ３２は（６×３）マトリックスに配置される。スイッチ３２の操作用として、クロック発振器２８から時間信号（クロック周波数）を受け取る操作装置または制御器３１が設けられる。スイッチ３２の開閉状態（入、切）は監視され、それぞれ第１信号ライン３６を経由して制御器３１に報知される。スイッチ３２は、それぞれ操作ライン３５を経由して制御器３１により操作される。

発電機８、１８の個別の位相Ｇ１、・・・、Ｇ６には、それぞれ、位相電流の符号を第２の信号ライン３７を経由して制御器３１に報知する電流測定手段３４が配置される。さらに、発電機８、１８の各位相Ｇ１、・・・、Ｇ６の間には、それぞれの位相電圧差の符号を第３の信号ライン３８を経由して制御器３１に報知する電圧測定手段３３が配置される。このマトリックスコンバータの運転プロセスの詳細に関しては、前記の文献資料を参照されたい。

本発明の可能な実施形態は、本明細書で述べた例に限定されない。これらの例から、当業者には、等価の回路および方法を実現する多くの可能性が明らかになる。特に、開閉器および高電圧開閉器の配置においては多数の組合せが可能である。さらに、簡単化のために、安全開閉器と補助システムの大部分とについては述べていない。また、用途は、本明細書に述べた種類または組合せに限定されず、特に複合サイクル発電所における利用に限定されない。ガスタービン発電所または蒸気タービン発電所での用途が同様に可能である。例えば、水力タービンと組み合わせた用途も考えられる。

１ 第１回路網
２ 第２回路網
３ 第１昇圧変圧器
４ 第２昇圧変圧器
５、５ａ、ｂ 発電所高電圧回路網
６ 発電機出力開閉器
７ 励磁変圧器
８ 第２発電機
９ 蒸気タービンの軸
１０、１０’ 発電所設備
１１、１１’ 軸系
１２ ガスタービン
１３ コンプレッサ
１４、１４ａ、ｂ タービン
１５、１５’ 燃焼チャンバ
１６ 空気流入ライン
１７、１７’ 燃料供給ライン
１８ 第１発電機
１９ 軸
２０ 回路網接続（周波数連結）
２１、２１ａ、ｂ 回路網高電圧開閉器
２２ 排気ガス流出ライン
２３ 廃熱蒸気発生器
２４ 蒸気タービン
２５ 水−蒸気循環ライン
２６ 始動開閉器
２７ 電子的周波数変換器
２８ クロック発振器
２９ 出力部分
３０ 負荷
３１ 制御器
３２ スイッチ（双方向）
３３ 電圧測定手段
３４ 電流測定手段
３５ 操作ライン
３６、・・・、３８ 信号ライン
３９ 制御装置
４０ ガスタービン制御用の測定値および信号交換ライン
４１ 補助周波数変換器
４２ 補助変圧器
４３ 静止励磁装置
４４ 補助駆動装置変圧器
４５ 補助システム変圧器
４６ 中電圧開閉器
４７ 励磁機開閉器
４８ 測定値信号ライン（発電機周波数／回転数）
４９ 回路網周波数検出器
５０ 低電圧給電
５１ 無停電直流電源、駆動装置、制御器、測定器のような低電圧消費機器
５２ 冷却空気供給ライン
５４ 中電圧回路網
５５ 水−蒸気循環ライン制御器
５６ ユニット制御器
５７ 廃熱蒸気発生器の測定値および制御信号
５８ ガスタービン制御装置／ユニット制御器の制御信号
５９ 水−蒸気循環ライン制御器／ユニット制御器の制御信号
６１ 排気ガス
６２ 水−蒸気循環ライン用制御器の測定値および制御信号交換ライン
６３ 変圧器を含む静止始動装置
６４、６４ａ、ｂ 高電圧開閉器
１０８ 従来型の第２発電機
１１８ 従来型の第１発電機
Ｇ１、・・・、Ｇ６ 位相（発電機）
Ｌ１、・・・、Ｌ３ 位相（負荷）

Claims (15)

1. タービン（１２）と、そのタービン（１２）によって直接駆動されて、ある１つの運転周波数の交流電力を発生する発電機（１８）とからなる発電所設備（１０）において、その発電機（８、１８）を、１つの周波数変換器（２７）と少なくとも１つの昇圧変圧器（３、４）とを介して、第１の運転周波数を有する第１の電気回路網（１）または第２の運転周波数を有する第２の電気回路網（２）に選択的に接続できる、ことを特徴とする発電所設備（１０）。
2. 前記少なくとも１つの昇圧変圧器（２７）によって、前記第１の電気回路網（１）に接続する場合には、発電機（８、１８）および第１の回路網（１）の間の第１の電圧比が課せられ、前記第２の回路網（２）に接続する場合には、発電機（８、１８）および第２の回路網（２）の間の第２の電圧比が課せられる、ことを特徴とする請求項１に記載の発電所設備（１０）。
3. 前記第１の電気回路網（１）との接続用として、第１の電圧比を有する第１の昇圧変圧器（３）が、発電機および第１回路網（１）の間に配置され、前記第２の回路網（２）との接続用として、第２の電圧比を有する第２の昇圧変圧器（４）が、発電機（８、１８）および第２回路網（２）の間に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の発電所設備（１０）。
4. 前記周波数変換器（２７）がマトリックスコンバータとして構成される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）。
5. 前記発電所設備（１０）が、入力周波数に対して設計された少なくとも１つの局所的な中電圧回路網（５４）を利用し得るように備えており、この少なくとも１つの中電圧回路網（５４）に給電するために、少なくとも１つの補助変圧器（４２）を、選択的に直接的にまたは補助周波数変換器（４１）を介して、前記周波数変換器（２７）の出力側に接続できる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）。
6. 前記発電所設備（１０）が少なくとも１つの局所的な中電圧回路網（５４）を利用し得るように備えており、この少なくとも１つの中電圧回路網（５４）に給電するために、少なくとも１つの補助変圧器（４２）を、直接的に前記第１昇圧変圧器（３）に、および／または、補助周波数変換器（４１）を介して前記第２昇圧変圧器（４）に接続できる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）。
7. それぞれ少なくとも１つの発電機（８、１８）を備えた少なくとも２つの軸系（１１、１１’）が配置され、その発電機（８、１８）のそれぞれを、１つの周波数変換器（２７）と少なくとも１つの回路網高電圧開閉器（２１）と少なくとも１つの昇圧変圧器（３、４）とを介して、前記第１の運転周波数を有する前記第１の電気回路網（１）または前記第２の運転周波数を有する前記第２の電気回路網（２）に選択的に接続できる、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）。
8. 前記発電所設備（１０）が、少なくとも１つのガスタービン（１２）および少なくとも１つの蒸気タービン（２４）を有する複合サイクル発電所として構成され、これらのタービン（１２、２４）の前記発電機（８、１８）は、互いに独立に、前記第１回路網（１）または前記第２回路網（２）に選択的に接続できるように配置される、ことを特徴とする請求項７に記載の発電所設備（１０）。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）の運転方法において、前記周波数変換器（２７）が、前記第１の電力回路網（１）に配電するために、前記第１の回路網周波数の出力電流を発生するように制御され、さらに、前記周波数変換器（２７）は前記第１昇圧変圧器（３）を介して前記第１電力回路網（１）に接続されること、
   あるいは、前記周波数変換器（２７）が、前記第２の電力回路網（２）に配電するために、前記第２の回路網周波数の出力電流を発生するように制御され、さらに、前記周波数変換器（２７）は前記第２昇圧変圧器（４）を介して前記第２電力回路網（２）に接続されること、を特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の発電所設備（１０）の運転方法において、前記周波数変換器（２７）を前記第１回路網（１）に接続する場合には、前記発電所の補助システムへの給電用としての前記局所的な中電圧回路網（５４）が、補助変圧器（４２）を介して前記高電圧回路網（５）から給電されること、
    および、前記第２回路網（２）に接続する場合には、前記発電所の前記補助システムへの給電用としての前記局所的な中電圧回路網（５４）が、補助周波数変換器（４１）および前記補助変圧器（４２）を介して接続されること、を特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の発電所設備（１０）の運転方法において、前記周波数変換器（２７）を前記第１回路網（１）に接続する場合には、前記発電所の前記補助システムへの給電用としての前記局所的な中電圧回路網（５４）が、入力周波数および出力周波数が等しくなるように制御される補助周波数変換器（４１）を介して接続されること、
    および、前記第２回路網（２）に接続する場合には、発電所の補助システムへの給電用としての前記局所的な中電圧回路網（５４）が、出力周波数が前記第１の周波数に等しくなるように制御される補助周波数変換器（４１）を介して接続されること、を特徴とする方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）の運転方法において、前記第１回路網（１）への送電を前記第２回路網（２）への送電に切り換えるために、あるいはその逆に切り換えるために、タービンが負荷から切り離され、発電機開閉器（６）が開かれ、続いて、前記周波数変換器（２７）が新しい回路網周波数に同期され、前記発電機開閉器（６）が閉じられ、引き続いてタービンが再度負荷運転される、ことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の発電所設備（１０）の運転方法において、前記補助システムへの給電用の前記補助変圧器（４２）が、前記切り換え段階の間、前記第１昇圧変圧器（３）を介して前記第１回路網（１）から直接電力供給され、かつ、並行して、前記第２昇圧変圧器（４）および前記補助周波数変換器（４１）を介して電力供給される、ことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の発電所設備（１０）の運転方法において、前記補助システムへの電力供給を並行的に同時接続する前に、前記補助周波数変換器（４２）の出力周波数が前記第１回路網（１）の周波数に同期される、ことを特徴とする方法。
15. 請求項９〜１４のいずれか一項に記載の発電所設備（１０）のガスタービン（１２）の運転方法において、前記ガスタービン（１２）を始動させるために、前記発電所の高電圧回路網（５）が前記第１回路網（１）または前記第２回路網（２）に選択的に接続され、前記発電機（８）が、始動モータとして運転されかつ前記周波数変換器（２７）を介して制御される、ことを特徴とする方法。
    

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