JP2023500434A

JP2023500434A - 発電システム用の負荷予測システム

Info

Publication number: JP2023500434A
Application number: JP2022520927A
Authority: JP
Inventors: クリーン、ランドール; ソト、エスメラルダ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2023-01-06
Also published as: CN114556733A; US11225910B2; EP4055260A1; KR20220090516A; WO2021091702A1; US20210131351A1

Abstract

システムおよび方法が、ＡＣモータと、ＡＣモータに電力を供給するように構成された１つ以上のガスタービン発電機とを含む。システムは、１つ以上のガスタービン発電機の動作を、ＡＣモータが電力を使用して始動させられると判断することによって制御するように構成されたコントローラをさらに含む。ＡＣモータが電力を使用して始動させられると判断したとき、コントローラは、ＡＣモータの始動に先立って電力を増強するように構成される。コントローラは、増強された電力を使用して、ＡＣモータの始動のための需要の増加に起因する電力の電気パラメータの低下を事前に補償する。【選択図】図２

Description

本明細書に開示される主題は、負荷への動力の供給におけるガスタービンエンジンの使用に関する。具体的には、ガスタービンエンジンは、電気エネルギーに変換することができるエネルギーを生成するために使用される。

一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気と燃料との混合物を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、１つ以上のタービン段を通って流れ、負荷および／または圧縮機のための動力を生み出すことができる。ガスタービンを使用して、負荷および／またはモータに電気エネルギーを供給する発電機に動力をもたらすことができる。しかしながら、いくつかの負荷のいくつかの状態（例えば、バンプスタート）が、ガスタービン発電システムに対して多大（例えば、３０～８０ＭＷ）かつほぼ瞬間的な需要（例えば、０．５～１．５秒）を課す可能性があり、ガスタービン発電システムが、周波数および／または電圧の低下、すなわちブラウンアウトの可能性ゆえに、定格の動作パラメータで電力を充分に供給することができない可能性がある。

米国特許出願公開第２０１６／３５６１７１号明細書

出願当初の請求項に記載の発明と同等の範囲のいくつかの実施形態が、以下で要約される。これらの実施形態は、請求項に記載される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明について考えられる形態の簡単な概要を提供することを意図しているにすぎない。実際、本発明は、以下で説明される実施形態と類似していても、あるいは異なっていてもよいさまざまな形態を包含することができる。第１の実施形態においては、システムが、ＡＣモータと、ＡＣモータに電力を供給するように構成された１つ以上のガスタービン発電機とを含む。システムは、１つ以上のガスタービン発電機の動作を、ＡＣモータが電力を使用して始動させられると判断することによって制御するように構成されたコントローラをさらに含む。ＡＣモータが電力を使用して始動させられると判断したとき、コントローラは、ＡＣモータの始動に先立って電力を増強するように構成される。コントローラは、増強された電力を使用して、ＡＣモータの始動のための需要の増加に起因する電力の電気パラメータの低下を事前に補償する。

第２の実施形態においては、システムが、大電力の負荷と、大電力の負荷に電力を供給するように構成されたタービン発電機とを含む。システムは、大電力の負荷に関して、需要の急激な増加がスケジュールされていると判断したときに、スケジュールされた電力需要の急激な増加に起因する電力の１つ以上の態様の低下を事前に補償するために、電力の１つ以上の態様を増強するコントローラをさらに含む。さらに、コントローラは、大電力の負荷の電力の需要の減少を判断することができ、電力の１つ以上の態様の低減を達成することができる。

第３の実施形態においては、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体が、プロセッサによって実行されたときに電力を生成するためのガスタービンシステムの動作をプロセッサに管理させる命令を格納する。さらに、プロセッサは、命令を実行して、モータがスケジュールされた始動に従って始動させられると判断することができる。さらに、プロセッサは、生成される電力の少なくとも１つのパラメータの低下を事前に補償するために、モータの始動に先立って、生成される電力の少なくとも１つのパラメータを増加させ、生成される電力の増加させた少なくとも１つのパラメータを使用してモータを始動させる。

本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しつつ検討することで、よりよく理解されるであろう。添付の図面において、同様の符号は、図面の全体を通して、同様の部分を表している。

本開示の一実施形態による負荷に動力を供給するように構成されたガスタービンエンジンのブロック図である。本開示の一実施形態による１つ以上のモータおよび負荷に電力を供給する発電機に動力をもたらすように構成されたガスタービンエンジンのブロック図である。本開示の一実施形態による１つ以上の負荷に動力を供給するように構成された２つのガスタービンエンジンの斜視図である。本開示の一実施形態による発電機周波数対発電機出力のグラフである。本開示の一実施形態に従ってガスタービン発電機の動作において電力需要の増加を予測して、電力需要の増加を事前に補償するフローチャートである。本開示の一実施形態によるガスタービン発電機の電力負荷需要の事前補償を使用してガスタービン発電機が負荷に電力を供給する前、最中、および後の回路要素の種々の電気パラメータのグラフである。

本開示の１つ以上の具体的な実施形態が、以下で説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとする努力において、必ずしも実際の実施態様のすべての特徴が本明細書において説明されないことがある。あらゆるそのような実際の実施態様の開発において、あらゆる工学または設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約の遵守など、実施態様ごとに異なり得る開発者の特定の目標を達成するために、多数の実施態様に特有の決定を行わなければならないことを、理解すべきである。また、そのような開発の努力は、複雑かつ多大な時間を要するものであるかもしれないが、それでもなお、本開示の恩恵を受ける当業者にとって、設計、製作、および製造における日常的な取組みであることを、理解すべきである。

本発明の種々の実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、それらの要素が１つ以上存在することを意味するように意図される。「・・・を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「・・・を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「・・・を有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であって、列挙された要素以外のさらなる要素が存在してもよいことを意味するように意図される。さらに、「または」という用語は、包括的であるように意図され、ＡまたはＢは、Ａのみ、Ｂのみ、またはＡとＢの両方を含むことを示している。

本開示は、広くには、ガスタービン発電機によって動作する発電機を使用したＡＣモータの始動に関する。高出力（例えば、３０キロ馬力（ｋＨｐ））のＡＣモータ（または、他の大需要の瞬時負荷）を始動するとき、ガスタービン発電機は、出力パラメータ（例えば、周波数または電圧）が低下し得る程度まで需要スパイクを被る可能性がある。これらの大需要の負荷において、時間をかけて立ち上がる需要は、コストあるいは大需要の負荷を含むシステムの複雑さが増すがゆえに、実現が困難または非現実的であり得る。需要を立ち上げる代わりに、システムは、この低下を事前に補償することができる。事前の補償中、高出力ＡＣモータを始動する前に発電機に電力の増強を与えることができる。この電力の増強は、出力パラメータの低下を被る発電機の動作のパラメータのうちの１つ以上も増加させる。ＡＣモータの始動前に電力の増強を発電機に与える際に、発電機は電力需要の増加に備えることができ、発電機がＡＣモータまたは取り付けられた他の負荷を起動しながら定常状態の平衡動作（例えば、定格動作周波数および電圧）を迅速に回復することを可能にする安定な様相で、電力需要の増加に応答することができる。

本実施形態によれば、これらのプロセスおよび他のプロセスを、ガスタービンシステムによって動作する発電機によって実行または促進することができる。図１が、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図である。一例として、ガスタービンシステム１０は、複合サイクルシステムの一部であってよく、あるいは他のガスタービンシステム１０と組み合わせられて、１つ以上の負荷１２に動力をもたらしてもよい。具体的には、ガスタービンシステム１０は、一般に、圧縮空気と燃料１５（例えば、天然ガス、軽質もしくは重質蒸留油、ナフサ、原油、残油、または合成ガス）との混合物を燃焼させることによって負荷１２を駆動するように構成される。燃焼は、１つ以上の燃焼チャンバを含むことができる燃焼器１６において実行される。空気１４は、圧縮機２０の吸気口に進入し、ろ過され、次いで圧縮機２０において１つ以上の圧縮段によって圧縮される。

燃焼器１６における燃焼プロセスを開始させるために、空気１４は、圧縮空気ストリーム１８によって燃焼器１６に注入される。圧縮空気ストリーム１８は、燃料１５と混合される。燃料１５と空気１４との混合物を使用して、着火を生じさせることができる。着火により、ガスタービンシステム１０に動力をもたらす高温燃焼ガス２６が発生する。より具体的には、高温燃焼ガス２６は、シャフト３０を介して負荷１２を駆動する１つ以上の圧縮段を有するタービン２８を通って流れる。例えば、燃焼ガス２６は、タービン２８内のタービンロータブレードに（例えば、対流、膨張、などを介して）原動力を加え、シャフト３０を回転させることができる。例示的なプロセスにおいて、高温燃焼ガス２６により、タービン２８内のタービンブレードが、ガスタービンシステム１０の軸に沿ったシャフト３０を回転させることができる。図示のように、駆動シャフト３０を、圧縮機２０または負荷１２を含むガスタービンシステム１０のさまざまな構成要素に接続することができる。

すでに述べたように、駆動シャフト３０は、タービン２８を圧縮機２０に接続してロータを形成することができる。圧縮機２０は、駆動シャフト３０に結合した圧縮機ブレードを含むことができる。したがって、タービン２８内のタービンブレードの回転により、タービン２８を圧縮機２０に接続する駆動シャフト３０が、圧縮機２０内の圧縮機ブレードを回転させることができる。圧縮機２０内の圧縮機ブレードのこの回転により、圧縮機２０が空気１４を圧縮して、圧縮空気ストリーム１８を生成する。次いで、前述のように、圧縮空気ストリーム１８は燃焼器１６へと供給され、他の燃焼構成要素と混合される。シャフト３０は、負荷１２に加え、あるいは代えて、圧縮機２０を駆動することができる。一例として、負荷１２は、とりわけ、発電機、プロペラ、変速機、または駆動システムであってよい。

タービン２８が高温燃焼ガス２６から仕事を抽出すると、排気ガス３２のストリームを排気セクション３４へともたらすことができ、排気セクション３４において、排気ガス３２を冷却し、あるいはさらに処理することができる。例えば、排気セクション３４は、一酸化炭素（ＣＯ）触媒、ＮＯ_ｘ触媒、未燃炭化水素触媒、または任意の同様の金属系触媒（例えば、白金系触媒）を含む触媒セクション３６を含むことができる。例えば、図示の実施形態において、触媒セクション３６は、排気ガス３２のストリーム中のＮＯ_ｘガスを破壊するように構成されたＮＯ_ｘ触媒またはＣＯ触媒を含むことができる。次いで、排気ガス３２のストリームは、排気セクション３４から出ることができる。

図示のように、ガスタービンシステム１０は、コントローラ３８を含む。コントローラ３８は、本明細書に記載の技術の実装において有用なオペレーティングシステム、ソフトウェアアプリケーション、およびシステム、などをサポートするために集合的に使用されてよい１つ以上のプロセッサ６６およびメモリ６８を含むことができる。とくには、コントローラ３８は、非一時的機械可読媒体（例えば、メモリ６８）に格納され、例えばコントローラ３８に含まれてもよい１つ以上のプロセッサ６６によって実行されるコードまたは命令を含むことができる。プロセッサ６６は、シャフトの回転速度、シャフト３０によって駆動される発電機においてガスタービンシステムが発生させる電力の周波数、電力の電圧、１つ以上の負荷１２からの需要、または他の適切なパラメータを含む、ガスタービンシステム１０のさまざまな構成要素からの動作パラメータを受信することができる。いくつかの実施形態において、いくつかのパラメータが直接測定される一方で、他のパラメータは他の測定値から間接的に決定される。例えば、特定の実施形態において、コントローラ３８は、アルゴリズムモデルまたはルックアップテーブル（例えば、メモリに格納される）を利用し、発電機が発生させる電力の周波数または電圧などの電気パラメータを使用して、シャフト３０または接続された発電機の動作速度などの種々のパラメータを導出することができる。さらに、コントローラ３８は、ガスタービンシステム１０のさまざまな部分の動作を監視することができる。監視されたパラメータを使用して、ガスタービンシステム１０の１つ以上の態様の動作パラメータを制御（例えば、調整）することができる。

図示のように、コントローラ３８は、需要の大幅な増加を予測する予測回路３９を含むことができる。予測回路３９により、コントローラ３８が、ガスタービンシステム１０および接続された発電機の出力を事前に増加させる。前述のように、この事前の増加は、発電機が大きな需要に応答して被る電気パラメータの減少を事前に補償する。予測回路３９は、物理的な回路を含むことができ、あるいは少なくとも部分的に、メモリ６８に格納され、コントローラ３８のプロセッサ６６上で実行される命令を使用して具現化されてもよい。

図２が、負荷１２またはモータ４４に電力を供給する発電機４２を駆動するガスタービン２８の概略図４０である。モータ４４は、発電機４２で生成された電流によって動作する電気モータを含むことができる。各々のガスタービン２８および発電機４２が協働して、ガスタービン発電機４８を形成することができる。ガスタービン２８を使用して生成されるトルクによって回転するシャフト３０を、それぞれの発電機４２に接続することができる。ガスタービン２８の回転が、それぞれの発電機４２に動力をもたらすことができる。より具体的には、ガスタービン２８は、発電機４２における磁気誘導機構によって電気を発生させるために使用することができる発電機４２内のロッド（例えば、シャフト３０に結合した）に接続される。発電機は、シャフト３０から受け取った回転エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、電気エネルギーを生成する。換言すると、発電機は、磁気誘導を使用して回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。磁気誘導の原理ゆえに、磁場を通って導体を移動させることによって電荷を誘導することができる。発電機４２は、磁場を通ってシャフト３０を回転させ、あるいは発電機４２における磁場内で１つ以上の磁石を移動させることによって、この原理を利用する。この移動が、発電機４２に取り付けられた負荷１２またはモータ４４を動作させるために使用することができる電気を誘導することができる。さらに、発電機４２は、１つ以上のモータ４４または負荷１２に電気的に接続されてよい。この電気的接続を介して、発電機４２は、モータ４４を動作させるための電気エネルギーをもたらすことができる。理解できるとおり、発電機４２によって生成されたＡＣ電気は、発電機４２のロッドによって回転させられてよい磁石の回転によって決定される周波数を有することができる。この回転は、磁石を回転させるトルクをもたらし、磁石は、ＡＣ電気の周波数をもたらす速度で磁場内を変位する。以下で説明されるように、負荷需要が急速に（例えば、ほぼ瞬間的に）増加するとき、多大かつほぼ瞬間的な需要に対応しようとする試みにより、発電機４２の電気出力の１つ以上のパラメータ（例えば、周波数および／または電圧）が低下する可能性がある。予測回路３９が、この多大な需要に応答した電気パラメータの劣化／低下を、少なくとも部分的に事前に補償する。さらに、予測回路３９を、モータ４４（例えば、ＡＣモータ）への大きな電流の突入に備えるために、いつでも有効およびアクティブにすることができる。

前述したように、本明細書の技術は、２つ以上のタービンを含むシステムに適用されてよい。図３が、互いに並列に動作する２つのガスタービンを有するガスタービンシステム５０の斜視図である。ガスタービンシステム５０の動作中、複数の発電機（ガスタービンエンジン５２、５４からのエネルギーを変換するもの）をバスに接続して、モータ４４または負荷１２に電力を供給することができる。いくつかの負荷が、１つの発電機および／または１つのガスタービンから過大な電力を必要とする可能性がある。バス上に並列に接続されて動作する複数の発電機は、大きな電力需要を満たすうえで役に立つことができ、高出力のＡＣモータを始動するときに起こり得るような電力需要の急激な増加に耐えることができる発電機の動作に役立つことができる。

ガスタービンシステム５０の動作において、吸気口７６および７８が、空気（例えば、周囲空気）を取り込む。第１のガスタービンエンジン５２の第１の空気圧縮機８０（例えば、１つ以上の圧縮段）および第２のガスタービンエンジン５４の第２の空気圧縮機８２（例えば、１つ以上の圧縮段）が、取り込んだ空気を圧縮して、圧縮空気を生成する。

第１および第２のガスタービンエンジン５２および５４における燃料（燃料１５など）の燃焼は、それぞれの第１および第２の燃焼器８８および９０において行われる。さらに、各々の燃焼器８８、９０は、複数の燃焼チャンバを含むことができる。燃焼ガスが第１および第２の燃焼器８８および９０において生成されると、それらは第１のガスタービンエンジン５２の第１のガスタービン９２および第２のガスタービンエンジン５４の第２のガスタービン９４にそれぞれ送られ、そこで図１に関して上述したように高温燃焼ガスから仕事が抽出される。第１および第２のガスタービン９２および９４によって抽出された仕事は、ガスタービン９２、９４をそれぞれの負荷９６および９８に接続するシャフトなどの１つ以上の特徴の回転をもたらすことができる。これに代え、あるいは加えて、ガスタービン９２および９４は、燃焼器８８および９０において生成された燃焼ガスから仕事を抽出することによって、第１および第２のガスタービンエンジン５２および５４のそれぞれの圧縮機８０、８２、ならびに発電機、プロペラ、などの任意の他の負荷を駆動することができる。

システム５０は、２つのガスタービンエンジン（第１のガスタービンエンジン５２、第２のガスタービンエンジン５４）を有するものとして説明されているが、本手法が、１つ以上の発電機を動作させるために任意の数のガスタービンエンジンを使用するシステムにも適用可能であることに留意されたい。

前述したように、それぞれのガスタービン２８と発電機４２とのペアは、単一のユニット（例えば、ガスタービン発電機４８）に配置されても、あるいは互いに接続された別個の機械であってもよい。さらに、ガスタービン発電機４８は、発電機４２（例えば、電圧、周波数、などのパラメータ）、ガスタービン２８、あるいは発電機４２およびガスタービン２８の両方の種々のパラメータを調整するための１つ以上のコントローラ機構（例えば、コントローラ３８）を含むことができる。前述のように、発電機４２を、動作のためのエネルギーを供給するためにモータ４４に電気的に接続することができる。さらに、始動させるべきモータ４４への電力の効率的な伝達を得るために、発電機４２は、モータ４４ならびに／あるいはシステム１０の他のモータおよび負荷のリアクタンスおよびインピーダンスに整合するように構成されてよい。リアクタンスおよびインピーダンスの値が整合するように発電機４２の回路要素を構成することにより、発電機４２とモータ４４との間の電力の効率的な伝達を可能にすることができる。

前述のように、ガスタービンシステム１０は、２つ以上のシャフトを有する２つ以上のガスタービンを含むことができる。マルチシャフトの構成は、所与の自由タービン速度における一定の燃焼流に起因して、より広い範囲の負荷受け入れショット能力を可能にすることができる。しかしながら、マルチシャフトのフリーホイーリング発電タービンは、とりわけ軽い電力需要で動作している場合に、依然として負荷受け入れショット能力が限られる可能性がある。ガスタービンが軽い負荷で動作しており、その後に突然に電力需要の増加（例えば、モータ４４の始動）に直面する場合、発電機４２が、この新たな電力需要を満たして自身を安定させようとするプロセスにおいて、電流の飽和または過度のトルクに直面する前に満たすことができる電力需要の量は限られている。飽和は、発電機４２内のコイルが電流で飽和するときに発生する可能性があり、この結果、電流をより多く加えても磁場の大きさは増加せず、むしろエネルギーの散逸（例えば、熱）が生じる。ガスタービンが発電機４２に過度のトルクを加えることによってより多くの電力を供給することで増加した電力需要を満たそうとするときに、過度のトルクが、発電機のロータに加わる可能性がある。過度のトルクは、発電機４２の損傷または発電機４２の最終的な停止につながる可能性がある。例えば、以下で説明されるように、発電機４２の周波数が、特定のしきい値周波数を下回って低下する可能性がある。しきい値周波数を越えると、ガスタービン発電機４８は、電気的に接続されたモータ４４を安定して動作させることができない可能性があり、飽和および／または過度のトルクに直面するリスクが生じる。

大きな電力需要に備えるために、ガスタービン発電機４８は、ガスタービン２８および発電機４２の一方または両方の動作パラメータまたは出力の態様を増加させることができる。一例によれば、発電機４２の発電機周波数および出力電圧を、ガスタービン発電機４８から電力を受け取るモータ４４に電力を供給する前に、増加させることができる。このようにして、発電機４２は、負荷の需要に備え、負荷ショット能力を高め、遷移速度を高めることができる。

図４が、発電機周波数対発電機出力をプロットした例示的なグラフ１２０を示している。発電機の周波数は、ヘルツ（Ｈｚ）で測定され、発電機出力の電力出力は、メガワット（ＭＷ）で測定される。グラフ１２０は、６０Ｈｚの周波数および１３．８ｋＶの電圧に定格化され、かつ複数の電圧および周波数選択のために構成することができる発電機の負荷受け入れ応答を示している。この説明において先に述べたように、発電機が負荷の増加を被るとき、負荷が、とりわけ低負荷状態から出発するときに、発電機が直面する電力需要の増加に起因して、発電機のいくつかのパラメータ（例えば、周波数、電流、電圧、出力、など）を不安定にする可能性がある。グラフ１２０に示されるように、発電機４２の負荷が増加するとき、発電機４２の出力は、増加した電力需要を満たそうと試みるので増加する。グラフ１２０において、線１２２の負の傾きによって示されるように、発電機４２の出力が新たな電力需要を満たすべく増加するにつれて、発電機４２の周波数が低下する。発電機４２の周波数は、当初は、発電機４２から運ばれるエネルギーのサージゆえに、低下する可能性がある。発電機４２の周波数は、発電機における電流の交番の電気周波数に対応することができる。さらに、最小しきい値周波数１２４が存在でき、発電機４２は、最小しきい値周波数１２４を下回ると、回復不可能になる可能性がある。最小しきい値周波数１２４を下回ると、発電機４２は飽和し、あるいはガスタービンからの過度のトルクに直面する可能性がある。例えば、図４において、最小しきい値周波数１２４は、５７Ｈｚに相当する。しかしながら、図４に示される最小しきい値周波数は、例示を目的としており、決して５７Ｈｚなどの特定の値に限定されるものではない。発電機の周波数定格、温度、などの因子に基づき、他の最小しきい値周波数も存在する。

いくつかの実施形態において、ＡＣモータ（例えば、モータ４４）の始動は、ＡＣモータが初期角運動量を有することなく開始され得る。そのような始動（例えば、初期角運動量を欠くモータの始動）は、モータ４４を始動させ、次いで発電機４２を新たな需要レベルで安定させるために、大きな電力サージを利用し得る。このより大きなサージに対応するために、発電機４２は、高められたロードショット受け入れ能力を使用して、大きな電力サージでモータ４４を始動させることができる。

高められたロードショット受け入れ能力は、発電機４２によってもたらされる電力のパラメータの変化を事前に補償することによって提供され得る。線１２６が、発電機４２の周波数または電圧を増加させることによる事前の補償を使用して発電機４２の出力の周波数を辿る。例えば、図示のように、発電機４２が１３．８ｋＶの電圧レベルおよび６０Ｈｚの周波数レベルで電力を出力する場合、発電機４２は、モータ４４の始動前の期間において、１４．１ｋＶの電圧レベルおよび６２Ｈｚの周波数レベルで動作することができる。この発電機の周波数および電圧を、モータ４４の始動前の或るしきい値期間（例えば、１０、１５、２０秒）にわたって１ＰＵ（単位当たり）（例えば、約１．０３倍のＰＵ（単位当たり））を超えて動作するように高めることによって、発電機４２の出力が、より大きな負荷受け入れ能力を可能にするように高められる。実際に、発電機４２の出力は、初期出力の２倍のレベルにさえ到達可能であり得、負荷需要のサージを満たした後も依然として安定化可能であり得る。１つ以上の態様（例えば、周波数または電圧）における出力のこの増加は、発電機４２の負荷の受け入れを改善し、発電機４２の回復速度を速めることが可能であり得る。したがって、前述したように、初期角運動量を持たないモータ４４の始動、あるいは負荷が大きな電力サージを必要とし得る他の状況において、予測回路３９は、モータ４４の始動の前に動作パラメータ（例えば、周波数、電圧、など）のうちの１つ以上を増加させることによって、発電機４２、ガスタービン２８、またはガスタービン発電機４８を準備することができる。発電機４２の動作パラメータの値の増加により、始動または遷移事象のプロセスにおける負荷需要を満たすための追加のエネルギーを提供することができる。

図５が、ガスタービンシステム１０に接続された予測回路３９を用いてモータ４４を始動させるためのプロセス１５０を示すフローチャートである。ブロック１５２において、コントローラ３８は、ガスタービンシステム１０を動作させて電力を生成する。ブロック１５４において、予測回路３９は、モータ４４が始動させられるかどうかを判定する。例えば、予測回路３９またはコントローラ３８は、モータ４４の動作スケジュールへのアクセスを得ることができる。モータ４４が始動させられない場合、現在の需要にて電力の生成を続けることができる。ブロック１５６において、モータ４４が始動させられようとしている場合、生成される電力の少なくとも１つのパラメータが増加させられる。増加させることができるパラメータとして、生成される電力の周波数、電圧、または他のパラメータが挙げられる。これらのパラメータを、発電機４２が需要の増加に直面する前に、同時または連続的に増加させることができる。さらに、いくつかの実施形態においては、生成される電力の１つのパラメータのみが増加させられるが、他の実施形態においては、２つ以上のパラメータが増加させられる。

ブロック１５８において、生成される電力の少なくとも１つのパラメータを増加させた後に、モータ４４に始動のための電力が与えられる。増加させられた少なくとも１つのパラメータは、遷移事象中において発電機４２への増加した負荷需要を維持するために発電機４２が必要とする追加のエネルギーを提供することが可能であってよい。さらに、前述したように、２つ以上の発電機４２が、始動されるモータ４４に電気を移動させるバスに接続されてよい。

ブロック１６０において、発電機４２がモータ４４を始動させる電力需要を成功裏に満たした後に、コントローラ３８は、予備の発電機がモータ４４を始動させるために使用されたかどうかを判定することができる。予備の発電機は、モータ４４および負荷１２を動作させるために使用される電力を上回る電力をもたらすことができる。例えば、予備の発電機が使用される場合、モータ４４の始動前は停止され、追加の電力をもたらさなくてもよい。

ブロック１６２において、予備の発電機がバス上に存在しない場合、ブロック１５６において増加させられた生成される電力の少なくとも１つのパラメータを、発電機４２から減らすことができる。ブロック１６４において、予備の発電機がモータ４４の始動のプロセスにおいて使用された場合、予備の発電機をオフラインにする（例えば、オフにし、あるいはモータへと電気を運ぶバスおよびワイヤから切り離す）ことができる。なお、モータ４４の始動のプロセスに２つ以上の予備の発電機が使用されてもよい。

前述のように、発電機４２がモータ４４に電力を供給し始めるとき、発電機４２は、増加した需要を満たそうと試みるがゆえに、定常状態または平衡状態から乱される可能性がある。図６が、発電機への電力需要の増加の遷移事象の前、最中、または後のガスタービンシステム１０、発電機４２、およびモータ４４のパラメータを表す複数の線によるグラフ１９０をしている。

線２００は、発電機４２の出力に対応する。線２０４は、発電機４２に電気的に取り付けられた種々の回路要素（例えば、負荷１２およびモータ４４）からの発電機４２に対する電力需要に対応する。グラフ１９０は、いくつかの期間、すなわち始動前期間１９４、プリエンファシス期間１９８、始動期間２０２、および始動後期間２０６を示している。始動前期間１９４において、発電機４２は定常状態で動作している。始動前期間１９４において、発電機４２は、モータの始動前の瞬間において定格周波数（例えば、５０または６０Ｈｚ）およびそれぞれの定格電圧（例えば、１１．５ｋＶまたは１３．８ｋＶ）に従って動作することができる。さらに、発電機４２は、負荷１２またはモータ４４にすでに接続されていてもよく、比較的定常状態の状態に留まることによって電力需要を維持することができる。

本実施形態によれば、プリエンファシス期間１９８において、モータ４４の始動に備えるために、動作パラメータのうちの１つ以上を増加させるように発電機４２を制御することができる。プリエンファシス期間１９８の持続時間は、発電機４２からの発電電力の１つ以上のパラメータの低下を事前に補償するために、発電電力の１つ以上のパラメータをより高いレベルに増加させるために使用されるモータの始動前の期間に対応する。このプリエンファシス期間１９８は、発電機４２が出力プリエンファシスレベルに到達できる充分な持続時間を有することができる。プリエンファシスレベルにおける出力は、発電電力の１つ以上のパラメータの増加した動作値に対応する（例えば、プリエンファシス期間１９８における線１９２および線１９６）。プリエンファシス期間１９８中、発電機４２は、発電機が新たな電力需要に直面する前の時間において定格周波数を上回るレベルで動作することができるように、周波数（線１９２に示されるとおり）および電圧（線１９６に示されるとおり）を増加させ始める。

さらに、発電機の電力需要および出力（線２０４および２００）を、始動期間２０２中、モータ４４の始動の一部として増加させることができる。始動期間２０２中、増加した需要を満たす試みにおける１つ以上の動作パラメータの低下を事前に補償するために、コントローラ３８によって、発電機４２に対して、始動期間２０２の前に動作パラメータのうちの１つ以上（例えば、周波数および電圧）を増加させるように指示することができる。始動期間２０２において、線１９２によって示される発電機４２の周波数は、遷移事象において急激に低下する。周波数は、少なくとも部分的には、初期角運動量を持たずに始動されるモータ４４に大きな伝達角運動量を供給する需要に起因して、急激に低下し得る。初期角運動量を持たないモータ４４を始動させるために、大きなエネルギー伝達が使用され得る。一連のエネルギー変換により、モータ４４は、始動するためのエネルギーを得ることができる。すなわち、発電機４２は、モータ４４に電気エネルギーを供給する。始動させられるモータ４４が発電機４２から受け取る電気エネルギーを、モータ４４の角運動量を変化させる（例えば、増加させる）ためのトルクをモータ４４に提供する回転運動エネルギーに変換することができる。発電機４２の線１９６によって示される電圧も、線２０４によって示される需要および線２００によって示される結果としての出力に起因して、急激な低下に直面する。発電機４２を、始動期間２０２において平衡状態から外れ、不安定であり、あるいは定常状態から外れていると特徴付けることができる。始動後期間２０６において、始動のための電力の需要の増加は、モータ４４の始動時にモータ４４における初期角運動量の欠如を補うために使用されたピークレベルから減少する。（始動の）増加した需要は、少なくとも部分的には、モータ４４が角運動量を持たずに始動された後にモータ４４の角運動量の維持が容易になる（例えば、トルクが少なくて済む）ことに起因して、始動後期間２０６において減少する。したがって、初期の角運動量がない状態からモータ４４の角運動量を増加させるために、発電機４２から由来するエネルギーからモータ４４において加えられるトルクの量は、モータ４４の角運動量を比較的一定の有限値に維持するためにモータ４４に加えられるトルクの量よりも、大きい必要があり得る。

事前の補償を使用して、発電機４２は、増加した電力需要を満たす始動期間２０２における事象の遷移から回復するようにより良好に装備される。これは、電力需要の増加に備えて発電電力の１つ以上のパラメータが増加させられ、発電機４２が動作限界内に留まるため、真実である。例えば、事前の補償は、発電機周波数がモータ４４の始動中に最小しきい値周波数１２４を下回らないことを保証し、発電機４２の飽和を阻止する。

典型的には、モータの始動には、モータの動作を維持するよりも多くの電力が必要とされる可能性があるため、モータは大きな初期電力量を必要とし得る。図６に示されるように、プリエンファシス期間１９８と始動期間２０２との間の時間において、出力は大きく増加する。しかしながら、モータが回転運動エネルギーおよび角運動量を得た後に、発電機４２の出力は、電力需要の減少を追跡するように、始動後期間２０６に示されるように減少することができる。出力の減少の結果として、周波数および電圧などの発電機の他のパラメータも減少し得る。

上記では発電機を駆動するガスタービンについて説明したが、同様の原理を、発電機を駆動する原動機を使用する任意の発電システムに適用することが可能である。具体的には、本明細書に開示の技術は、発電システムからの電力の出力の少なくとも１つのパラメータを劣化させる可能性がある多大かつほぼ瞬間的な需要を被る可能性がある任意の発電システムに有用であり得る。

上述した特定の実施形態は、例として示されており、これらの実施形態について、さまざまな改変および代替形態の余地がありうることを理解されたい。特許請求の範囲が、開示された特定の形態に限定されるようには意図されておらず、むしろ本開示の趣旨および範囲に属するすべての改変物、均等物、および代替物を包含するように意図されていることを、さらに理解されたい。

本明細書に提示されて特許請求される技術は、本技術分野を明らかに改善する実際的な性質の有形物および具体例に関連し、そのような有形物および具体例に適用され、したがって抽象的ではなく、無形ではなく、あるいは単なる理論ではない。さらに、本明細書の終わりに添付された任意の請求項が「［機能］を［実行］するための手段」または「［機能］を［実行］するためのステップ」として指定された１つ以上の要素を含む場合、そのような要素は米国特許法１１２条（ｆ）の下で解釈されることが意図されている。しかしながら、任意の他のやり方で指定された要素を含む任意の請求項に関して、そのような要素が米国特許法１１２条（ｆ）の下で解釈されることは意図されていない。

１０ガスタービンシステム
１２負荷
１４空気
１５燃料
１６燃焼器
１８圧縮空気ストリーム
２０圧縮機
２６高温燃焼ガス
２８ガスタービン
３０駆動シャフト
３２排気ガス
３４排気セクション
３６触媒セクション
３８コントローラ
３９予測回路
４２発電機
４４モータ
４８ガスタービン発電機
５０ガスタービンシステム
５２ガスタービンエンジン
５４ガスタービンエンジン
６６プロセッサ
６８メモリ
７６吸気口
７８吸気口
８０空気圧縮機
８２空気圧縮機
８８燃焼器
９０燃焼器
９２ガスタービン
９４ガスタービン
９６負荷
９８負荷
１２０グラフ
１２４最小しきい値周波数
１５０プロセス
１９０グラフ
１９２線
１９４始動前期間
１９６線
１９８プリエンファシス期間
２００線
２０２始動期間
２０４線
２０６始動後期間

Claims

ＡＣモータと、
前記ＡＣモータに電力を供給するように構成された１つ以上のガスタービン発電機（４８）と、
前記ＡＣモータが前記電力を使用して始動させられると判断すること、
前記ＡＣモータが前記電力を使用して始動させられると判断したとき、前記ＡＣモータの始動に先立って前記電力を増強すること、および
前記増強させた電力を使用して、前記ＡＣモータの始動のための需要の増加に起因する前記電力の電気パラメータの低下を事前に補償すること
によって前記１つ以上のガスタービン発電機（４８）の動作を制御するように構成されたコントローラ（３８）と
を備えるシステム。
前記ＡＣモータが始動させられると判断することは、前記ＡＣモータの始動に関するスケジュールを受信することを含む、請求項１に記載のシステム。
前記電気パラメータは、前記電力の周波数を含む、請求項１に記載のシステム。
前記電力を増強することは、前記周波数を高めることを含む、請求項３に記載のシステム。
前記電気パラメータは、前記電力の電圧を含む、請求項１に記載のシステム。
前記電力を増強することは、前記電圧を高めることを含む、請求項５に記載のシステム。
前記コントローラ（３８）は、前記増強させた電力を前記ＡＣモータの始動の完了後に低減するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
前記電力を増強することは、追加の発電機（４２）を始動することを含む、請求項７に記載のシステム。
前記増強させた電力を低減することは、前記追加の発電機（４２）を停止させることを含む、請求項８に記載のシステム。
前記コントローラ（３８）は、いつ前記ＡＣモータが始動させられるかを判断し、前記電力を増強させるように構成された予測回路を備える、請求項１に記載のシステム。
大電力の負荷（１２）と、
前記大電力の負荷（１２）に電力を供給するように構成されたタービン発電機（４８）と、
前記大電力の負荷（１２）に関して、前記タービン発電機（４８）からの電力について、需要の急激な増加がスケジュールされていると判断し、
前記大電力の負荷（１２）に関して、前記急激な増加がスケジュールされていると判断したときに、前記スケジュールされた需要の急激な増加に先立って、前記電力の１つ以上の態様を事前に増強し、
前記電力の前記増強された１つ以上の態様を使用して、スケジュールされた需要の急激な増加に起因する前記電力の前記１つ以上の態様の低下を事前に補償し、
前記大電力の負荷（１２）の電力の需要の低下を判断し、
前記電力の需要の低下に少なくとも部分的に基づいて、前記電力の前記１つ以上の態様を低減する
ように構成されたコントローラ（３８）と
を備えるシステム。
前記大電力の負荷（１２）は、ＡＣモータを備える、請求項１１に記載のシステム。
スケジュールされた需要の急激な増加は、前記ＡＣモータの始動を含む、請求項１２に記載のシステム。
前記始動は、ＡＣモータの初期慣性運動がない状態での前記ＡＣモータのバンプスタートを含む、請求項１３に記載のシステム。
前記電力の前記１つ以上の態様を低減することは、前記１つ以上の態様を再び増強前のレベルに低減することを含む、請求項１１に記載のシステム。
前記１つ以上の態様は、前記電力の周波数または電圧を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記タービン発電機（４８）から前記電力を受け取る１つ以上のさらなる負荷（１２）を備える請求項１１に記載のシステム。
さらなるガスタービン発電機（４８）を備えており、前記１つ以上の態様は、前記さらなるガスタービン発電機（４８）をオンラインにすることを含み、前記１つ以上の態様を低減することは、前記さらなるガスタービン発電機（４８）をオフラインにすることを含む、請求項１１に記載のシステム。
命令を格納した有形の非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、プロセッサ（６６）によって実行されたときに、
ガスタービンシステム（１０）の動作を管理して、電力を生成すること、
モータがスケジュールされた始動に従って始動させられると判断すること、
前記モータの始動に先立って、前記生成される電力の少なくとも１つのパラメータを増加させること、および
前記少なくとも１つのパラメータの低下を事前に補償するために、前記生成される電力の前記増加させた少なくとも１つのパラメータを使用して前記モータを始動させること
を前記プロセッサ（６６）に実行させるように構成されている、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
前記命令は、前記プロセッサによって実行されたときに、
前記モータが動作速度に達したと判断すること、および
補助発電機をオフラインにし、あるいは主発電機の出力を下げることによって、前記少なくとも１つのパラメータを低減すること
を前記プロセッサに実行させるように構成されている、請求項１９に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。