JP2018502539A - 電流ネットワークを有するタービンを同期させるための方法および制御デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンを、ネットワーク周波数（２）を有する交流電流ネットワークと同期させる方法に関するものである。この方法は、ネットワーク周波数（２）の範囲内の周波数（４）までタービンを加速させるステップＡ）と、タービンと交流電流ネットワークとの間の角度差を感知するステップＢ）と、タービンと交流電流ネットワークとの間の速度差を感知するステップＣ）と、タービンが所望の軌跡（５）に追従する方法でタービンを加速させるかまたは減速させるステップＤ）と、を含む。所望の軌跡（５）は、前もって計算された軌跡であり、タービンの速度と交流電流ネットワークの速度とが対応する場合にタービンと交流電流ネットワークとの間に同期給電に適した目標角度ポジションが達成されるように存在すべき所望の速度差を、角度差に依存して表す。本発明はさらに、タービンのための関連する制御デバイスに関するものである。

Description

本発明は、タービンを電流ネットワークと同期させるための方法および関連する制御デバイスに関するものである。

発電された電気が電流ネットワークに供給される発電所で発電する際に、電気の同相給電に注意を払わなければならない。電気がタービン駆動発電機によって発電される火力発電所では、電力の供給を可能にするために、タービンを電流ネットワークの位相に対して適切な角度ポジションにもたらす必要がある。正確には、これは必然的に、発電機ロータの角度ポジションに対応する。一般に、発電機ロータはタービンロータにしっかりと接続されているため、本明細書ではあくまでタービンの同期について説明するが、実際にはこの用語は現に発電機に適用される。

従来技術によれば、電流ネットワークの位相角とは独立して、タービンがネットワーク周波数まで上げられることが慣習となっている。そのためタービンは、「同期デバイス」を使用して正しい位相角にもたらされる。この目的のために、適切な位相角が達成されるまで、タービンがわずかに加速されるかまたは減速される。これは平易な用語で「ランアップ」または「ランダウン」と称される。

本発明の目的は、タービンをＡＣネットワークと改良された様式で同期するための方法を開示することである。この目的は、特許請求の範囲に記載の独立請求項によって具体的に達成される。いくつかの実施形態は従属請求項に記載されている。さらなる詳細は、本明細書の記載から特定できる。

以下のステップを含む、ネットワーク周波数でタービンをＡＣネットワークに同期するための方法が提供されることを認識されたい。

ステップＡ）において、タービンは、上記ネットワーク周波数の範囲内にある所定の周波数まで加速される。概して、ネットワーク周波数範囲内の周波数は、ネットワーク周波数より約１ヘルツ低くネットワーク周波数より約１ヘルツ高いマージンの範囲内にある周波数である。正確な値は重要ではない。とりわけ、ネットワーク周波数とタービン周波数との間の差は、もはや特に重要ではない。

ステップＢ）は、タービンとＡＣネットワークとの間の角度差を特定することを含む。

ステップＣ）は、タービンとＡＣネットワークとの速度差を特定することを含む。言い換えると、タービン周波数とネットワーク周波数との差が決定される。

ネットワーク周波数は、理論的には既知の変数であると仮定することができる。なお、周波数変動のために、ネットワーク周波数の検出は合理的なオプションである。必然的に、同じことがネットワークの位相角にも当てはまる。

必然的に、ステップＣ）は多くの場合に、タービン周波数が上記ネットワーク周波数範囲を達成した時点を確立するために、ステップＡ）中に実行される。ネットワーク周波数は、ステップＡ）ではまだ大きな影響のない小さな変動を除けば一定であるため、速度差を特定することをステップＡ）で省略することができ、かつ既知のネットワーク周波数（例えばドイツでは５０Ｈｚ）の範囲内まで加速が進行する。

本発明に関してステップＤ）が重要である、つまりタービンが定値軌跡(setpoint trajectory)に追従するようにタービンを加速または減速することが重要である。定値軌跡は、予め計算された軌跡であり、角度差に関して定値速度差を与えるものであり、当該定値速度差は、同期された給電が進行するように、タービン速度をＡＣネットワークに一致させる際にタービンとＡＣネットワークとの間に適切な目標角度ポジションが実現されるよう要求される。

定値軌跡は、角度差に関して定値速度差によって仮定される値を定義する数学的関数であり、タービン速度をＡＣネットワークに一致させる際に、同期された給電を目的とした適切な目標角度ポジションが実現される。そのため定値軌跡は、目標とされる加速または減速に明らかに左右される。目標軌跡に対する調整は、例えば過度の制動（ブレーキング）に関連する不必要な機械的負荷を発生すべきでないことを理解されたい。いずれの場合も、それぞれの用途に関して定値軌跡を再度選択する必要はない。

タービンは、加速または減速が終了する際につまりタービン周波数とネットワーク周波数とが一致する際に定値軌跡に追従するため、所望の角度ポジションが達成されると、電流の給電をすぐに開始できる。この様式で、発電開始までの時間間隔を減少させることができる。これによって、より高い経済収益を実現できる。これは、発電所の始動の決定に加えて、迅速な電力が必要となる際に特に重要な点となる。そうした場合において、発電の迅速な開始は、ネットワークの安定性にとって非常に重要となり得る。この点に関して、ほんの数分が実質的に経済的に重要となることがある。従来技術によると、一度タービン周波数がネットワーク周波数におおむね一致した後、正しい位相角を達成するために、さらに２〜３分必要となる。本発明によれば、この時間を大幅に短縮することができ、場合によってはほんの数秒に短縮することができる。

速度差および角度差が検出されると、同時にネットワーク周波数の潜在的な変化が検出されかつ検討される。そのためネットワーク周波数に変化があった場合でも、同期は確実に進行する。本発明の実施形態の１つの形態によれば、タービンが定値軌跡に追従するようにタービンを加速または減速させるために、以下のステップが繰り返し実行される：ステップＥ）は、角度差の検出に関連する定値軌跡から生じる定値速度差を特定することを含む。ステップＦ）は、定値速度差を、検出された角度差に関連する検出された速度差と比較することを含む。ステップＧ）は、定値速度差が少なくともほぼ達成されるようにタービンを加速または減速させることを含む。

明確にするために、「速度差」は計量速度差、すなわち計量によって決定されるタービンとネットワークとの間の周波数差であることを述べておく。反対に、定値速度差は定値軌跡から読み取られる。速度差に代えて、常に周波数差を参照することもできる。

タービンがネットワークから外れた状況すなわちタービン周波数がネットワーク周波数より高い状況が考慮される場合、タービンを減速する必要がある。定値速度差が計量的に検出された速度差を超える場合、タービンの減速度を減少すべきであり、定値速度差が検出された速度差よりも小さい場合、タービン減速度を増大すべきである。

タービン周波数がネットワーク周波数を下回った場合、タービンは、速度差を超える定値速度差の場合はより低い加速を必要とし、速度差より低い定値速度差の場合はより高い加速を必要とする。

タービン周波数がネットワーク周波数を超える場合でも、タービンを短期間加速することが検討され、あるいは、タービン周波数がネットワーク周波数未満に落ちる場合、定値軌跡に追従するために、タービンを短期間減速することが検討される。なお、これは通常は発生しない。

実施形態の極めて重要な形態では、ステップＥ）すなわち角度差の検出に関連して定値軌跡から生じる目標速度差を特定するステップと、ステップＦ）すなわち定値速度差を、検出された角度差に関連する検出された速度差と比較するステップと、が連続的に実行される。したがって、ステップＧ）に加えて必要な加速または減速を連続的に調整できる。

定値軌跡の追従は、速度差が制御された変数でありかつ定値速度差が参照変数である制御ループと考えられてもよい。

実施形態の１つの形態では、定値軌跡は放物線状である。そのため定値軌跡は、理想的に追従する減速関数が放物線特性をとるように選択される。これは、直線的に減少する加速度に対応しており、それによって、正しい位相角が達成された場合、タービン減速度はゼロに等しくなる。

これは、実績がありかつ実行可能なオプションである。ここでは用語「減速関数」および「減速」が使用される；タービンが、ネットワーク周波数を超える周波数まで最初に加速されたことが仮定される。そうでなければ、用語「加速関数」および「加速」が使用される。

実施形態の１つの形態では、タービンは、ネットワーク周波数を超える周波数まで最初に加速される。この方法は実際に実績がある。上述のように、ネットワーク周波数を超えるこの周波数を起点として、タービンはネットワーク周波数まで減速されるべきである。通常の状況では、タービンは所定の周波数まで厳密に加速されてはならないことに留意されたい。タービンは、オーバーランまたはオーバーシュートとも称されるように、初めはさらに加速される。このオーバーシュートの後にのみ、タービンの制動を、定値軌跡に従って適切に実行できる。定値軌跡が制動のための準備を含む場合、これは定値制関数として記載されてもよい。

迅速な同期のために、ネットワーク周波数より約０．２５Ｈｚ高い周波数が非常に適している。これは、第１に、制動中に達成される速度の低下が管理可能であることを確実にする。第２に、タービン周波数とネットワーク周波数との間に十分な差が提供される。

実施形態の１つの形態では、多相ネットワークにおいては、複数の目標角度ポジションが存在し得ると考えられており、定値軌跡の調整の開始時に存在する角度差に関して、当該複数の目標角度ポジションから最も迅速に達成される目標角度ポジションが選択されることが好ましい。通常、これは、ネットワークに対するタービンの最小回転が必要とされる目標角度ポジションでなければならない。

例えばドイツのネットワークは、１２０°の位相変化を伴う３つの位相を有する。そのため、発電機は、１２０°にわたる回転が位相角に関して同一のポジションを復元するように、対応する構造を備えるように構成されている。そのため常に複数の目標角度ポジションを実現できる。結果的に、上述の場合、ネットワークの位相角に対するタービンの必要な回転は、常に１２０°未満である。

実施形態の１つの形態では、目標角度ポジションが達成されるまでタービンが定値軌跡に追従するようにタービンを加速させるかまたは減速させるのには約２０秒必要である。そのため過度の機械的負荷を伴わずに、管理可能な時間間隔内で、タービンをネットワーク周波数まで減速させるかまたは加速させることができる。

ネットワーク周波数より０．２５Ｈｚ高い上述の定値維持周波数では、加速に関連するオーバーシュートの減衰に約１０秒必要である。そのため、発電は、タービンの制動に必要な２０秒の例示的な時間と併せて、約３０秒以内に開始することができる。これは、先行技術に関して通常必要とされる２〜３分と比較して、著しく向上していることを示す。

本発明はまた、上述した方法によってタービンを制御するように設計されたタービンのための制御デバイスに関するものである。

以下では添付の図面を参照して、本発明のさらなる詳細について説明する。

タービン周波数、ネットワーク周波数、および定値軌跡を示す図である。 定値軌跡、つまりタービンとネットワークとの間の角度差に対する、制動中のネットワーク周波数とタービン周波数との間のマージンの定値特性を示す図である。

図１は、タービン周波数１と、ネットワーク周波数２と、定値周波数３との間の代表的な関係を示す。周波数はヘルツの単位でｙ軸上にプロットされ、時間は秒単位でｘ軸上にプロットされる。点線は、５０Ｈｚでのネットワーク周波数２を示す。ネットワーク周波数２におけるなんらかの潜在的な変動はここでは考慮されない。実線はタービン周波数１を示す。破線は、タービン定値周波数３の特性を示す。タービン周波数１の特性から明らかなように、５０．２５Ｈｚまでタービンを加速する際に、この値を超える加速つまり「オーバーシュート」が最初に発生する。このオーバーシュートは、ネットワーク周波数まで下がるようにタービンの制御された制動が開始される前は、待機されなければならない。

数値指示によって、定値周波数３は、５５秒から始まり７５秒で終わる時間間隔の中で、５０．２５Ｈｚの周波数で直線４を描く。

その後、放物線状の制動が続く。定値周波数３は、定値制動関数として表される定値軌跡５に追従するように進行する。そのため定値周波数３は、直線４と後続の定値制動関数５との組み合わせからなる。

上述のように定値制動関数５は、タービンとネットワークとの間の必要な速度差、つまり、タービン周波数とネットワーク周波数とが一致する際に所望の目標角度ポジションが達成されるように、タービンとネットワークとの間の周波数差を示す数学的関係である。

目標角度ポジションは、同期に必要な角度ポジションである。したがって、タービンは、この角度でネットワーク周波数を達成しなければならない。そのため、定値制動関数の目的は、タービンとネットワークとの間の角度差に対するネットワーク周波数とタービン周波数との間の概念上のマージンの関係を確立することである。個々の位相が１２０°ずれている３相ネットワークでは、相互に１２０°オフセットされる３つの角度ポジションを同期のために検討する必要があることを考慮しなければならない。好ましい目標角度ポジションは、定値制動関数５への調整開始時の角度差に対して、最も迅速に達成される角度である。

図２は、定値制動関数５を示す。周波数差がヘルツの単位でｙ軸上にプロットされている。数値は、ネットワークに関連した定値速度差を示す。０〜０．２５Ｈｚの数値範囲が図示される。タービンとネットワークとの間の角度差がｘ軸上にプロットされる。制動終了時、この値は、ゼロの目標角度ポジションに対応するように０に設定され、先行する値は負の値として示される。制動中、明確な１．６回転の公称角度差が詳しく検討されることが判明している。

再度図１を参照すると、５０．２５Ｈｚへの加速後、オーバーシュートが発生することが判明している。５０．３１Ｈｚの読み取られる数値は純粋に例示的なものであり、オーバーシュートは設備固有のものであるため、原理的に適用されるものではない。

このオーバーシュートに続いて、制動が、定値制動関数５に従って進行する。この目的のために、角度差および速度差が連続的に検出される。測定された速度差は、図２に示すようにそれぞれの角度差に関する定値制動関数５から読み取ることができる定値速度差と比較される。

このとき対応して、タービンの減速は、可能な限り速度差が定値速度差を達成するように、継続する調整をされる。

８５秒の時間で、ネットワーク周波数２が最終的に達成され、かつタービンは電流ネットワークに適した角度ポジションをとり、その結果、同相発電およびネットワーク給電が進行可能となる。強調すべきことに、８５秒は単に例示的な値である。実際の値は、考慮されるタービンと、選択された制動または加速関数とに依存する。

最後に、１つの数値例および関連する計算について以下で説明する。

ｔが時間である場合、タービン周波数とネットワーク周波数とが最終的に一致する時点はｔ_０である。ネットワーク周波数は５０ヘルツである。放物線状の定値制動関数に従って、２０秒以上かけて制動を行う。ネットワーク周波数とタービン周波数の間のマージンは、以下の式によって得られる。

制動中の関連する公称角度差は、制動開始時の角度差と制動によって生じた角度差との和として計算される。これによって、以下が得られる。

必要条件から、

これは、
と進展する。
角度差はここでは回転数によって表され、そのため１の値は３６０°に対応することに留意されたい。

角度差は、ネットワーク速度とタービン速度との間のマージンに関連して表すことができる。

同様に、ネットワーク速度とタービン速度との間のマージンを角度差に関連して表すことができる。

対応する曲線を図２に示す。

放物線状の定値制動関数に基づく上述の検討は、他の定値制動関数に移行できる。時には、それら関係の分析的決定が不可能であるか、または少なくとも極めて困難となる。しかしながら、上述の方程式に対する数値解、または特性曲線を用いたｆ（Δφ）の定義は常に利用できる。

本発明について好ましい例示的な実施形態を参照してより詳細に図示しかつ説明したが、本発明は、開示された実施形態によって限定されず、当業者であれば、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、他の変更例を推測し得るだろう。

１ タービン周波数１
２ ネットワーク周波数
３ 定値周波数

Claims (8)

1. ネットワーク周波数（２）で、タービンをＡＣネットワークと同期するための方法であって、
   前記方法は、
   Ａ） 前記ネットワーク周波数（２）の範囲内の周波数（４）に前記タービンを加速するステップと、
   Ｂ） 前記タービンと前記ＡＣネットワークとの間の角度差を特定するステップと、
   Ｃ） 前記タービンと前記ＡＣネットワークとの間の速度差を特定するステップと、
   Ｄ） 前記タービンが定値軌跡（５）に追従するように前記タービンを加速させるかまたは減速させるステップと、
   を含み、
   前記定値軌跡（５）は、前記タービン速度が前記ＡＣネットワークに一致した際に、進めるべき同期給電のために前記タービンと前記ＡＣネットワークとの間に適切な目標角度ポジションが達成されるように要求される前記定値速度差をもたらす、前記角度差に関して、予め計算された軌跡であることを特徴とする方法。
2. 前記タービンが前記定値軌跡（５）に追従するように前記タービンを加速させるかまたは減速させるために、以下のステップ、すなわち、
   Ｅ） 角度差の検出に関連する、前記定値軌跡（５）からもたらされる定値速度差を特定するステップと、
   Ｆ） 前記定値速度差を、検出された角度差に関連する検出された速度差と比較するステップと、
   Ｇ） 前記定値速度差が少なくともほぼ達成されるように、前記タービンを加速させるかまたは減速させるステップと、
   が繰り返し実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ステップＧ）に加えて必要な加速または減速が連続的に調整されるように、ステップＥ）およびステップＦ）が連続的に実行されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記定値軌跡（5）は放物線状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記タービンは、ネットワーク周波数（２）より高い周波数、具体的にはネットワーク周波数（２）より約０．２５Ｈｚ高い周波数まで加速されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 多相ネットワークでは、複数の目標角度ポジションが存在でき、それから、最も迅速に達成される目標角度ポジションが選択されることが好ましいと考えられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記目標角度ポジションが達成されるまで前記タービンが前記定値軌跡（５）に追従するように、前記タービンの加速または減速には約２０秒必要となることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. タービンのための制御デバイスであって、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法によってタービンを制御するように設計されていることを特徴とする制御デバイス。