JP2019517240A - 励磁電流をロータの励磁巻線に供給するための方法、三相交流電圧を生成するためのシステムを動作させるための方法、および対応するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、パワーネットワークに給電すべき三相交流電圧を生成するためのシステムの三相発電機のロータの励磁巻線に励磁電流を供給するための方法に関する。パルス状励磁電流は、もしロータの回転周波数が、パワーネットワークのネットワーク周波数から逸脱するならば、励磁巻線に供給される。

Description

本発明は、パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備の三相発電機のロータの界磁巻線に界磁電流を供給するための方法に関する。

本発明はさらに、パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備を動作させるための方法に関する。

本発明はさらに、少なくとも1つのタービン、タービンを通じて駆動される少なくとも1つの三相発電機、ならびに三相発電機のロータの界磁巻線への界磁電流の供給を制御しかつ/または調節する少なくとも1つの制御および/または調節ユニットを有する、パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備に関し、タービンのタービンロータは、回転可能に固定される仕方でロータに接続される。

パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備は、よく知られており、パワープラントにおいて使用されている。この種の設備は、少なくとも1つのタービンおよびタービンを通じて駆動される少なくとも1つの三相発電機、特にタービン発電機を有することができる。タービンは、例えば複合サイクルガスタービン(CCGT)パワープラントのもしくはガスタービンプラントのガスタービンまたは蒸気タービンパワープラントの蒸気タービンのこともある。

タービンのタービンロータは通常、強固なまたは回転可能に固定される仕方で三相発電機のロータに接続される。タービンロータの回転を通じて50Hzまたは60Hzの従来のグリッド周波数の三相AC電圧を発生させ、前記三相AC電圧をパワーグリッドに給電するために三相発電機を使用することができるためには、タービンロータは従って、通常50Hzまたは60Hzの動作周波数で回転しなければならない。

そのような設備が、始動するとき、設備は、グリッド周波数と回転周波数との間で起こり得る位相シフトのバランスを取ることができるために、パワーグリッドのグリッド周波数と同期する回転周波数が、達せられた後、ある時間を必要とする。この時間は、設備によって発生される三相AC電圧のパワーグリッドへの給電(infeed)に利用することができない。

設備が、このようにして始動するとき、タービンロータのまたはロータの回転速度は、例えば3000rpmまで加速されることもある。この場合、3000rpmで回転する磁界が従来、直流電流として形成される界磁電流のおかげで三相発電機のロータとステータとの間に発生され、その界磁電流は、ロータの界磁巻線に供給される。前記磁界は、それぞれのグリッド周波数に対応する、例えば50Hzの周波数の三相AC電圧をステータのステータ巻線に誘起する。上で述べたような、起こり得る位相シフトのバランス取りの後、発電機スイッチは、三相発電機およびパワーグリッドを相互接続することができる。タービンロータおよびロータは次いで、パワーグリッドと同期して動く。設備は、負荷を取り上げ、三相AC電圧をパワーグリッドに給電する。

特定の場合には、特にそのような設備が、周波数バックアップ動作において運転されるとき、タービンロータのまたはロータの回転速度は、グリッド周波数に整合される。この場合、設備は、反作用によって、特に回転速度の変化によってパワーグリッドを安定化させるために、グリッド周波数を保持しようと試みる。この種の設備について、述べられる周波数バックアップ動作が可能である、1つだけの特定の周波数範囲が、ロータ動力学の理由でかつタービン、特にガスタービンのコンプレッサの安定性の理由で可能にされる。

パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備の利用能力を増加させることが、本発明の目的である。グリッド周波数の三相AC電圧をパワーグリッドに供給するために、そのタービンロータ回転周波数が、それぞれのパワーグリッドのグリッド周波数よりも低い、対応する設備のタービンを使用することを可能にすることが、本発明のさらなる目的である。対応する設備の周波数バックアップ動作を改善することが、本発明のさらなる目的である。

パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備の三相発電機のロータの界磁巻線に界磁電流を供給するための本発明による方法によると、ロータの回転周波数が、パワーグリッドのグリッド周波数から逸脱するとき、パルス状界磁電流が、界磁巻線に供給される。

本発明によると、パワーグリッドのグリッド周波数からの三相発電機のロータの回転速度の逸脱は、パルス状界磁電流をロータの界磁巻線に供給することによってバランスを取られる。その結果として、グリッド周波数の三相AC電圧は、ロータの回転周波数が、グリッド周波数と異なるときでさえ、三相発電機を用いて発生させることができる。従って、三相発電機によって発生される三相AC電圧の周波数をグリッド周波数に整合させることができるために、従来のように、タービンロータのまたは回転可能に固定される仕方でそれに接続されるロータの回転速度が変えられる必要はない。その代わりに、本設備、またはタービンおよび三相発電機などのその構成部品は、最適動作点について寸法合わせをし、前述の調節中その動作点に保つことが可能であり、それは、設備の効率を全体的に増加させる。

もし例えば、ロータの回転周波数が、それぞれのグリッド周波数よりも低いならば、パルス状界磁電流が、界磁巻線に供給されてもよい。その結果として、グリッド周波数に対応する周波数で回転する磁界が、三相発電機のロータとステータとの間に発生される。ステータのステータ巻線はそれ故に、グリッド周波数に対応する周波数で回転する磁界を経験し、その結果として、グリッド周波数のAC電圧が、ステータ巻線に誘起される。

その結果として、グリッド周波数に対応する周波数の三相AC電圧が、設備の始動中にまたはもっと早い時にさえステータに発生されることが可能である。同期は従って、設備の始動中の非常に早い時でさえ三相AC電圧とパワーグリッドの間で行われることが可能であり、その結果として、この同期に必要とされる時間は、著しく短縮することができる。同期はそれ故に、ロータの回転周波数がグリッド周波数に対応しない時と同程度に早く行われることが可能である。結果として、これは、最初に述べられるように、従来の設備と比較して、本設備の利用能力を著しく増加させる。同期の後、直流が、界磁巻線に供給されてもよい。より早い同期のおかげで、本設備は、従来の設備と比較して著しくより早くパワーグリッドに電力を提供することができる。

50Hzの動作周波数におけるガスタービン(50Hzガスタービン)のパワーおよび効率は、対応する60Hzガスタービンの場合よりも大きいので、60Hzのグリッド周波数のパワーグリッド(60Hzパワーグリッド)にパワーを供給するために50Hzガスタービンをまた使用することにも関心がある。

パルス状界磁電流をロータの界磁巻線に供給することによって、その回転周波数がロータの回転周波数よりも大きい回転磁界およびその回転周波数がロータの回転周波数よりも低いさらなる回転磁界が、ステータとロータとの間に形成可能である。例えば50Hzのロータの回転周波数を仮定すると、60Hzの回転周波数で回転する磁界および40Hzの回転周波数で回転する磁界が、パルス状界磁電流の適切な選択を通じて形成可能である。これは、60Hzの周波数のAC電圧および40Hzの周波数のAC電圧がステータ巻線に誘起されるという結果をもたらす。40HzAC電圧は、三相発電機を通じて発生される三相AC電圧から適切な手段を通じてフィルタリングして除去することができ、その結果60Hz三相AC電圧が、機械変圧器に印加され、それを用いて三相発電機は、対応するパワーを有する前記電圧をパワーグリッドに提供することができるために、パワーグリッドに接続される。その結果、そのタービンロータ回転周波数がパワーグリッドのグリッド周波数よりも低いタービンを通じて、グリッド周波数の三相AC電圧をパワーグリッドに給電するために、本発明による方法を使用することが可能である。より高い比出力(specific power)が、結果として達成可能である。

パルス状界磁電流をロータの界磁巻線に供給することによって、ステータのステータ巻線はそれ故に、グリッド周波数で回転する磁界を経験することができる。パルス状界磁電流の適切な選択を通じて、ロータの回転周波数とは無関係に、本設備による周波数バックアップが、結果として確保されることが可能である。特に、本設備は、従来の設備よりもはるかに広い周波数範囲において周波数バックアップを提供することができる。本設備の構成部品の寸法合わせは、本設備の構成部品が、特定の周波数バックアップ範囲を満たすことができなければならないというようなものである必要はない。その代わりに、構成部品は、特に本設備が、高い効率および高い耐久性を有する、特定の動作点に寸法合わせをすることができる。それ故に、改善された周波数バックアップ動作を有する設備を提供することが可能である。

パルス状界磁電流は好ましくは、パルス状界磁電流の周波数が、グリッド周波数からの回転周波数の引き算から生じる差周波数に対応するような方法で発生される。パルス状界磁電流は以下では、それぞれの回転周波数に応じて発生される。

パルス状界磁電流は好ましくは、それが、時間とともに正弦波の、方形波の、三角形のまたは鋸歯状のプロファイルを有するような方法で発生される。その結果として、パルス状界磁電流は、応用のそれぞれの場合に最適に整合させることができる。パルス状界磁電流のプロファイルの形状が、界磁巻線へのパルス状界磁電流の供給中に変えられることがまた可能であってもよい。

パルス状界磁電流は好ましくは、60Hz回転磁界およびそれに対して反対方向に回転する40Hz回転磁界が、三相発電機のロータとステータとの間に発生されるような方法で発生される。その結果として、60HzAC電圧および40HzAC電圧が、ステータのステータ巻線に発生される。前記40HzAC電圧は、三相発電機によって発生される三相AC電圧からフィルタリングして除去することができ、その結果60Hz三相AC電圧が、60Hzパワーグリッドに提供されることが可能である。これは特に、60Hz三相AC電圧を発生させるために、50Hzタービン、例えば50Hzガスタービンを使用することを可能にする。

パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備を動作させるための本発明による方法によると、パルス状界磁電流は、前述の改良点の1つ、または前記改良点の少なくとも2つの互いとの任意の望ましい組み合わせに従う方法を使用して本設備の三相発電機のロータの界磁巻線に供給され、グリッド周波数から逸脱するステータのステータ巻線によって発生される三相AC電圧の電圧成分は、三相AC電圧からフィルタリングして除去される。

三相AC電圧を発生させるための設備の三相発電機のロータの界磁巻線に界磁電流を供給するための方法に関して上で述べられた利点は、それに応じてこの方法と関連付けられる。

パルス状界磁電流はまた、その周波数が、ロータの回転周波数からのパルス状界磁電流の周波数の引き算に対応する差周波数に対応する、AC電圧をステータ巻線に発生させもする。この電圧成分は、三相発電機を通じて発生される三相AC電圧から適切な手段を通じてフィルタリングして除去される。代替案として、別の方法で発生される電圧成分が、三相電流からフィルタリングして除去されてもよい。

電圧成分は好ましくは、少なくとも1つの周波数フィルタまたは少なくとも1つの直列共振回路を通じて三相AC電圧からフィルタリングして除去される。周波数フィルタは、発生される三相AC電圧の各相について直列共振回路を有することができる。

パワーグリッドに給電すべき三相AC電圧を発生させるための本発明による設備は、少なくとも1つのタービン、タービンを通じて駆動される少なくとも1つの三相発電機、ならびに三相発電機のロータの界磁巻線への界磁電流の供給を制御しかつ/または調節する少なくとも1つの制御および/または調節ユニットを備える。タービンのタービンロータは、回転可能に固定される仕方でロータに接続される。制御および/または調節ユニットは、ロータの回転周波数が、パワーグリッドのグリッド周波数から逸脱するとき、パルス状界磁電流を界磁巻線に供給するように構成される。

本方法に関して上で述べられた利点は、それに応じて本設備と関連付けられる。特に、本設備は、前記方法を実行するために使用することができる。

タービンは、ガスタービンまたは蒸気タービンとすることができる。特に、タービンは、50Hzもしくは60Hzガスタービンまたは50Hzもしくは60Hz蒸気タービンとすることができる。三相発電機は、従来の仕方で設計することができる。制御および/または調節ユニットは、設備電子システムの一部によってまたはそれから切り離して形成することができる。制御および/または調節ユニットは、計算ユニットおよび記憶ユニットを備えることができる。

制御および/または調節ユニットは好ましくは、グリッド周波数から回転周波数を引き算し、パルス状界磁電流の周波数としてそれから生じる差周波数を決定するように構成される。一番目に述べられた本方法の対応する改良点に関して上で述べられた利点は、それに応じてこの改良点と関連付けられる。

本設備は好ましくは、少なくとも1つの周波数フィルタまたは少なくとも1つの直列共振回路を備え、それを通じて、グリッド周波数から逸脱する三相発電機のステータのステータ巻線によって発生される電圧の電圧成分は、その電圧からフィルタリングして除去することができる。二番面に述べられた本方法の対応する改良点に関して上で述べられた利点は、それに応じてこの改良点と関連付けられる。

本発明は、付随する図を参照して好ましい実施形態に基づいて以下で例として説明され、以下で提示される特徴は、それぞれの場合にそれ自体によってまたは互いとの様々な組み合わせにおいて、本発明の一態様を構成することができる。

本発明による設備の例示的実施形態の概略図を示す図である。 本発明による設備の例示的実施形態の三相発電機の概略縦断面を示す図である。 図2に示される三相発電機の概略横断面を示す図である。

図1は、パワーグリッド2に給電すべき三相AC電圧を発生させるための本発明による設備1の例示的実施形態の概略図を示す。

設備1は、ガスタービンの形のタービン3、タービン3を通じて駆動される三相発電機4、ならびに三相発電機4のロータ(図示されず)の界磁巻線(図示されず)への界磁電流の供給を制御しかつ/または調節する制御および/または調節ユニット5を備える。タービン3のタービンロータ(図示されず)は、回転可能に固定される仕方でロータに接続される。代替案として、設備1は、タービン3の代わりに少なくとも1つの蒸気タービン6を有することができ、その蒸気タービンを通じて、三相発電機4のロータは、駆動されることが可能である。

制御および/または調節ユニット5は、ロータの回転周波数が、パワーグリッド2のグリッド周波数から逸脱するとき、パルス状界磁電流を界磁巻線に供給するように構成される。この目的を達成するために、制御および/または調節ユニット5は、脈動変調器(pulsation modulator)を有することができる。

特に、制御および/または調節ユニット5は、グリッド周波数から回転周波数を引き算し、パルス状界磁電流の周波数としてそれから生じる差周波数を決定するように構成される。制御および/または調節ユニット5は従って、前記差周波数に応じてパルス状界磁電流を発生させる。パルス状界磁電流は、時間とともに正弦波の、方形波の、三角形のまたは鋸歯状のプロファイルを有することができる。

設備1はまた、周波数フィルタ7または少なくとも1つの直列共振回路(図示されず)も備え、それを通じて、グリッド周波数から逸脱する三相発電機4のステータ(図示されず)のステータ巻線(図示されず)によって発生される三相AC電圧の電圧成分は、三相AC電圧からフィルタリングして除去することができる。

図2は、本発明による設備9の例示的実施形態の三相発電機8の概略縦断面を示す。

三相発電機8は、ステータ10を備え、それは、積層スタック(より詳細には例示されず)およびその上に配置されるステータ巻線(図示されず)を有する。三相発電機8はさらに、界磁巻線12を有するロータ11を備え、その界磁巻線12に、時間tとともに方形波のプロファイルを有するパルス状界磁電流Iが、供給される。

図3は、図2に示される三相発電機8の概略横断面を示す。ロータ11は、磁極N(北極)およびS(南極)を備える。2つの回転磁界13および14の磁力線は、点線によって表され、その磁力線は、ロータ11の界磁巻線(図示されず)へのパルス状界磁電流の供給によって生成される。2つの回転磁界13および14の回転周波数は、2つの回転周波数の合計が、パワーグリッド(図示されず)のそれぞれのグリッド周波数に対応するような方法で選択することができる。

本発明は、好ましい例示的実施形態を通じてより詳細に例示され、述べられたけれども、本発明は、開示される例によってこのように制限されず、他の変形が、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によってそれから導かれてもよい。

1 設備
2 パワーグリッド
3 タービン
4 三相発電機
5 制御および/または調節ユニット
6 蒸気タービン
7 周波数フィルタ
8 三相発電機
9 設備
10 ステータ
11 ロータ
12 界磁巻線
13 回転磁界
14 回転磁界

Claims (9)

1. パワーグリッド(2)に給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備(1、9)の三相発電機(4、8)のロータ(11)の界磁巻線(12)に界磁電流を供給するための方法であって、
   パルス状界磁電流(I)が、前記ロータ(11)の回転周波数が前記パワーグリッド(2)のグリッド周波数から逸脱するとき、前記界磁巻線(12)に供給されることを特徴とする、方法。
2. 前記パルス状界磁電流(I)は、前記パルス状界磁電流(I)の周波数が、前記グリッド周波数からの前記回転周波数の引き算から生じる差周波数に対応するような方法で発生される、請求項1に記載の方法。
3. 前記パルス状界磁電流(I)は、前記パルス状界磁電流(I)が、時間(t)とともに正弦波の、方形波の、三角形のまたは鋸歯状のプロファイルを有するような方法で発生される、請求項1または2に記載の方法。
4. 前記パルス状界磁電流(I)は、60Hz回転磁界およびそれに対して反対方向に回転する40Hz回転磁界が、前記三相発電機(4、8)の前記ロータ(11)とステータ(10)との間に発生されるような方法で発生される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
5. パワーグリッド(2)に給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備(1、9)を動作させるための方法であって、
   パルス状界磁電流(I)が、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法を使用して前記設備(1、9)の三相発電機(4、8)のロータ(11)の界磁巻線(12)に供給され、前記グリッド周波数から逸脱する前記ステータ(10)のステータ巻線によって発生される三相AC電圧の電圧成分が、前記三相AC電圧からフィルタリングして除去されることを特徴とする、方法。
6. 前記電圧成分は、少なくとも1つの周波数フィルタ(7)または少なくとも1つの直列共振回路を通じて前記三相AC電圧からフィルタリングして除去される、請求項5に記載の方法。
7. 少なくとも1つのタービン(3、6)、前記タービン(3、6)を通じて駆動される少なくとも1つの三相発電機(4、8)、ならびに前記三相発電機(4、8)のロータ(11)の界磁巻線(12)への界磁電流の供給を制御しかつ/または調節する少なくとも1つの制御および/または調節ユニット(5)を有する、パワーグリッド(2)に給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備(1、9)であって、前記タービン(3、6)のタービンロータは、回転可能に固定される仕方で前記ロータ(11)に接続される設備(1、9)において、
   前記制御および/または調節ユニット(5)が、前記ロータ(11)の回転周波数が前記パワーグリッド(2)のグリッド周波数から逸脱するとき、パルス状界磁電流(I)を前記界磁巻線(12)に供給するように構成されることを特徴とする、設備(1、9)。
8. 前記制御および/または調節ユニット(5)は、前記グリッド周波数から前記回転周波数を引き算し、前記パルス状界磁電流(I)の周波数としてそれから生じる差周波数を決定するように構成される、請求項7に記載の設備(1、9)。
9. 少なくとも1つの周波数フィルタ(7)または少なくとも1つの直列共振回路を有し、それを通じて、前記グリッド周波数から逸脱する前記三相発電機(4、8)のステータ(10)のステータ巻線によって発生される三相AC電圧の電圧成分は、前記三相AC電圧からフィルタリングして除去することができる、請求項7または8に記載の設備(1、9)。

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