JP5306717B2 - 電力システム安定化装置および方法 - Google Patents

Description

本願に開示される対象は、概して、電力システム安定化に関する。

電力システムが、多数のギガワットの発電電力により大規模なユーティリティネットワークへの接続を有する場合、一般には、電力システム上の個別電気負荷は、無視できるほどの影響を及ぼすだけである。対照的に、アイランド電力システムは、大規模なユーティリティネットワークへの接続を有しておらず、アイランド状電力システムは、（同等の高インピーダンスを有する長い伝送ラインによってなど）ユーティリティネットワークへの弱い接続を有するだけである。アイランドおよびアイランド状の電力システムは、一般的に、海洋産業（例えば、大きな船舶上に搭載された電力システム）、孤立海岸基地、ならびに石油およびガス産業に使用される。この種の電力システムでは、発電される電力と接続される負荷との間の均衡は制御がより困難であり、電圧および周波数の変動がより頻繁に見られる。

アイランドおよびアイランド状の電力システムにおける外乱は、システムのシャットダウンにつながる場合がある不安定性を招く可能性がある。安定化手段または制御を使用して、この種の外乱が発生した場合にシステム性能を向上させる。この種の安定化手段または制御のタイプは、過渡的安定化装置（高速度切替え型制動抵抗器、機械的電力低減システム、および意図的発電切断システムなど）、動的安定化装置（同期発電機のフィールド電圧を変調するための可変コンダクタンス素子および制御デバイスなど）、ならびにそれらの組合せを含む。過渡的安定化装置は、１つまたは複数の機械の角速度がシステム中の他の機械に対して上昇し、したがって、同期外れを招く可能性がある短絡などの故障状態の下で（または、故障状態後に）使用される。動的安定化装置を使用して、通常のまたは偶発的な動作中に、動作を切り替えることに関連した外乱により生じる可能性のある小信号の問題に対処する。

従来の手法の下では、切替え型制動抵抗器が使用される場合、消散電力は制御するのが困難であり、したがって、動的安定性を支持することは達成するのが難しい。加えて、（例えば、１キロボルトに比べてより大きい公称電圧を有する）高電圧成分が使用されている。

発電機励起制御を介して動的安定性の向上を達成しようとした場合には、過渡的安定性性能が、それほど高まらないことが多い。

動的制動抵抗器など、可変コンダクタンスが、外乱後の電力システムを安定化するのに使用される場合がある。動的制動抵抗器は、一般には、直接、電力システムバスバーに結合されている、または変圧器を介して結合されている逆並列サイリスタを備える。これらの手法には、一般的に高電圧デバイスを含む実施形態によって達成される減衰電力が必要である。
米国特許第５１９８７４５号 米国特許第７１７３３９９号

アイランドおよびアイランド状の電力システムに適し、過渡的および動的安定性の双方をもたらすことが可能である電力システム安定化装置を有することが望ましいであろう。

同一出願人による米国特許出願第１１／３８１９００号（対応日本語出願公開番号は特開２００７−２９９３９９号公報。但し、本願優先日時点では未公開）は、抵抗ねじれモード減衰システムおよび方法（ＲＴＭＤ）を対象にしている。ＲＴＭＤシステムは、駆動系用途におけるねじれ振動による問題を解決するための制御可能な抵抗モジュールを使用する。それは、石油およびガスの掘削システムならびに風力発電地帯など、公称電圧要求を有する電力システムのための電力システム安定化用途における類似した性能（高電圧デバイスの必要性がない）を有するのに有用であろう。

簡潔には、本明細書に開示の一実施形態によれば、電力システム安定化装置は、電力システムの電気機械的振動を示す信号を感知するために構成されたセンサと、感知された信号を使用して電気機械的振動を減衰させるための制御信号を生成するために構成されたコントローラと、減衰変換器および減衰変換器に結合されている抵抗器を備えた減衰器とを備え、減衰変換器は、電力バスを通じて電力システムに結合されており、制御信号を使用して電気機械的振動を減衰するために構成されている。

本明細書に開示の別の実施形態によれば、アイランドまたはアイランド状の電力システムを安定化する方法は、電力システムの電気機械的振動を示す信号を感知するステップと、感知された信号を使用して電気機械的振動を減衰するための制御信号を生成するためのステップと、減衰変換器および減衰変換器に結合された抵抗器を備えた減衰器に制御信号を供給するステップとを含み、減衰変換器は、電力バスを通じて電力システムに結合されている。

図面全体にわたって同様の文字は同様の部品を示す添付の図面を参照して、次の詳細な説明を読む場合、本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点をより理解することになる。

図１は、本明細書に開示の一実施形態の電力システム１０および安定化装置１２の概略図であり、電力システム１０安定化装置１２は、電力システム１０の電気機械的振動を示す信号を感知するために構成されているセンサ１４と、感知された信号を使用して電気機械的振動を減衰するための制御信号を生成するために構成されているコントローラ１６と、減衰変換器２０および減衰変換器２０に結合されている抵抗器２２を備えた減衰器１８とを備える。減衰変換器２０は、電力バス２４を通じて電力システム１０に結合されており、制御信号を使用して電気機械的振動を減衰するために構成されている。

減衰変換器１０は、サイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、およびＩＧＣＴ（集積ゲート転流サイリスタ）ブリッジを含んだ複数の例を有する任意の適切な制御可能な電力変換モジュールを備えてよい。減衰器１８は、アイランドまたはアイランド状の電力システム内で実施された場合、最も有用であると期待されている。より具体的な実施形態では、電力システム１０は、例えば、石油、ガス、またはそれらの組合せを得るためのシステムなど、工業用電力システムのためのアセンブリに電力を供給するために構成されている電力システムを備える。代わりの実施形態では、電力システム１０は、風力タービンを備える。

抵抗器２２は、スチール抵抗器および水抵抗器を含んだ複数の例を有する任意の適切なタイプの抵抗器を備えてよい。必要に応じて、従来の冷却の実施形態が熱消散を助けるように適用可能である。

本明細書に使用されるとき「コントローラ」または「制御部」は、指定された制御機能を達成するために使用される任意の適切なアナログ、デジタル、もしくはアナログとデジタルの回路の組合せ、またはプロセスユニットを包含することを意味する。一実施形態では、コントローラ１６は、通常動作中は、電気機械的振動を減衰するための制御信号を生成するために、および過渡動作中は、電気機械的制動をもたらすための制御信号を生成するために構成されている。より具体的な実施形態では、システムは、１０Ｈｚ未満もしくは１０Ｈｚと等しい（または、より具体的には、０．１Ｈｚから３Ｈｚの範囲の）変調レベルをもたらすように構成されている。この変調範囲では、合理的サイズの誘導素子は、それ自体容易に減衰電力をもたらすことができないので、抵抗器が有用である。しかし、図３に関して後述するように、インダクタなどのフィルタ素子が、抵抗器との組合せで使用可能でもある。

一例では、電気機械的振動を示す信号は、１つまたは複数のバスバー２４および１２４に結合されている１つまたは複数の発電機１５および１１５の角速度を含む。例えば、発電機１５の角速度が閾値に比べてより高い率で増加した（または減少した）場合、より多くの電流（または、より少ない電流）を少なくとも１つの抵抗器に供給するための変調を使用して、電位安定性問題に対抗することが可能であり、その変調レベルは、角速度の変化率における増加または減少レベルに比例している。

この種のセンサは既に発電機上に存在していることが多いので、角速度センサが有用である。しかし、他のセンサが、バスバー２４、１２４に結合されている周波数センサ（図示せず）と、変化する周波数を検出するように構成されているコントローラ１６、１１６とを含んだ一例により使用可能でもある。複数の他のセンサ例には、電気故障と、発電機トリップなどのシステム頻発イベントとを区別するための電圧センサ、機械動作ポイントに応じて過渡的安定性に安定化デバイス動作の閾値を適合させるための電力センサ、および電気機械的振動を検出する機械電力出力のための電力センサが含まれる。

システムは、概して、制限された帯域内で角速度および周波数を維持するように動作されるので、角速度および周波数パラメータならびにそれらの変化率が、観察するのに有用なパラメータである。閾値は、多くの電力システムの場合、ユーティリティネットワークまたは工業用電力システムの要件ならびに発電ユニットの特性に応じて変化するが、周波数の変化率が１秒につき約２パーセントより大きい場合には、故障が推測可能であり、安定化デバイスは、過渡的安定性支持を開始することが可能になる。また、閾値の変化率は、監視される発電機１５の有効電力出力に比例するように設定可能でもある。

抵抗器２２を流れる電流の変調は、センサ１４からのフィードバック信号に基づいて行われる。コントローラ１６が安定性問題を検出した場合、コントローラ１６は、安定化装置をアクティブにし、感知された信号の変動の平衡をとるために、同じ周波数で抵抗器内の電流を比例的に増加させる。

図１に、複数の組のセンサ１４、１１４、コントローラ１６、１１６および減衰器１８、１１８を使用する実施形態を示す。それは有用であると思われるが、バスバー２４、１２４ごとに少なくとも１つのセンサ１４、１１４を有すること、および電力発電ユニット１５、１１５に近接してセンサを置くことは必要ではない。この実施形態は、種々のバスバーがシステム外乱に対して種々の反応をする場合があるので、様々なバスバーが一緒に結合されていない分配型電力システムには、特に有用である。

複数のセンサおよびコントローラにより動作する場合、外乱が生じていない状態（定常状態）下での抵抗器の過熱を防ぐためには、閾値の慎重な選択および信号のフィルタリングが有用である場合がある。例えば、一実施形態では、コントローラは、周波数範囲１〜１５Ｈｚの開始閾値の少なくとも１パーセントの（または、より具体的な実施形態では、少なくとも２パーセントの）角速度偏差によりのみ、減衰制御信号を生成する。さらにより具体的な実施形態では、終了閾値が、加えて使用される。例えば、一実施形態では、コントローラは、角速度偏差が、例えば、０．５％など、より低い百分率に下がるまで、減衰制御信号を生成し続けることになる。

一例では、発電機１５は、航空転用ガスタービン駆動の発電機のような低モーメントの慣性を有する発電機を備える。別の例では、発電機１５は、風力タービン発電機、より具体的な実施形態では、直接駆動の風力タービン発電機を備える。加えてまたは代替として、センサはモータ１７に結合可能であり、この種の実施形態は、沖合の石油およびガス掘削など遠隔環境におけるモータ操作に特に有用である。

図２は、本明細書に開示の別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図であり、１つのセンサ２１４が、１つまたは複数のコントローラ２１６、３１６を介して、複数の減衰器２１８、３１８を制御するのに使用される。２つのコントローラを図示しているが、機能性は１つまたは複数の処理ユニットにおいて実施可能である。図２の単一のセンサ、複数の減衰器の実施形態は、単一のバスバー２２４を有する実施形態において有用であると期待され、各発電機が一般的な動的挙動を示すと期待される実施形態においてさらにより適用可能である。

図３は、別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図であり、減衰変換器２０が直流サイリスタ３０整流器への交流を含む。より具体的には、図３の実施形態では、減衰器は、少なくとも２つの減衰変換器２０、１２０を備え、各減衰変換器は、それぞれの抵抗器２２、１２２に結合されている。複数の変換器および抵抗器を有する実施形態により、成分を選択する際のより柔軟性、およびより冗長性がもたらされる。高調波ひずみを抑えるように意図されているさらにより具体的な実施形態では、図３に示すように、変圧器２６は、減衰変換器を電力バスに結合するために構成されており、減衰変換器２０の少なくとも１つは、ｗｙｅ構成で変圧器に結合されており、減衰変換器１２０の少なくとも別の１つは、デルタ構成で変圧器に結合されている。

加えて、図３に、インダクタンス２８として例示目的で示すフィルタ素子をさらに含む実施形態を示す。より具体的な例では、フィルタ素子は、抵抗器に直列に結合された、および１ミリヘンリから２０ミリヘンリの範囲の（または、さらにより具体的には、１ミリヘンリから５ミリヘンリの範囲の）インダクタンス値を有する。

図４は、図３の実施形態に関連し、時間とともに抵抗器の電流を示すシミュレーションしたグラフであり、図５は、図３の実施形態に関連し、時間とともに抵抗器の電流とフィルタリングされていない有効電力を示すシミュレーションしたグラフである。電力システム１０の電気機械的振動に対抗するために、サイリスタ３０は、２乗関数を使用して近似対抗振動正弦波をもたらすように制御される形で切替え可能である。

図６は、本明細書に開示の別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図であり、減衰変換器２２０が、ＩＧＢＴモジュール３８に順に結合されているコンデンサ３６に並列に結合されているダイオード整流器３４を備える。

ＩＧＢＴ実施形態は、サイリスタ（ライン転流の）実施形態に比べてより多くの成分を必要とするが、自励式であり、したがって、ネットワーク故障状態下であっても十分に働くという利点を提供する。より具体的には、ＩＧＢＴは、（グリッド電圧が、例えば５０パーセントより下がった場合でも、必要な減衰電力を供給することを意味する）電圧ライドスルー能力、ならびに非対称なグリッド故障の場合には減衰能力を可能にする。したがって、この実施形態を使用して、電力システム故障（またはその故障下でのロバスト性）に対して許容範囲を増大させることが可能である。

図６に、３対のＩＧＢＴ４０、４２を有するＩＧＢＴモジュール実施形態を示し、ＩＧＢＴの各対は、別の対に並列に結合されている。図６に、３つの抵抗器２２２、３２２、および４２２をさらに示し、各抵抗器はそれぞれ対のＩＧＢＴのうちの一方のＩＧＢＴの両端間に結合されている。６つの切替えＩＧＢＴモジュールが市販されているので、この実施形態は便利であるが、図は例示目的に過ぎない。加えて、本明細書に使用されるとき、ＩＧＢＴおよび抵抗器の文脈における「３つ」は、少なくとも３つを含むことを意味している。

図６の実施形態では、パルス幅変調により、下側の行におけるＩＧＢＴ４０を切り替えることによって、正弦波が各抵抗器全体で近似可能である。上側のＩＧＢＴ４２は切り替えられる必要がないが、これらのＩＧＢＴは、これら固有の自由なダイオード機能性によって、さらに有用である。上部行のスイッチなしの実施形態の場合には、自由なダイオード成分が推奨される。図６には、加えて、フィルタリングのための、ダイオード整流器３４とコンデンサバンク３６との間に存在可能であるインダクタンス１２８を示す。

スイッチおよび抵抗器の３本の脚４１を示しているが、単一のスイッチおよび抵抗器の脚が必要に応じて使用可能であり、しかし、複数の脚の実施形態と同じ高さの度合いの制御を示すことにはならない。例えば、２つのＩＧＢＴ４０および１４０が同時に切り替えられた場合は、等しい抵抗の抵抗器が使用されると、並列結合により実効抵抗が半減することが起こる。

図６のＩＧＢＴモジュールを制御するための一実施形態では、実際のグリッド速度または周波数が、プラスマイナス閾値パーセント（一例では２パーセント）内で公称グリッド値に対応する場合、１つの抵抗器のみが所与の時間にＤＣリンクに接続されていることになる。すべての抵抗器間で減衰エネルギーを熱的に分配させるために、ＩＧＢＴは、定められた時間周期（例えば、０．１秒など）にわたって、続いて切替え（ＰＷＭまたはヒステリシス制御）可能である。全減衰電力を供給するために、複数のＩＧＢＴは、並列に抵抗器を接続するように同時に切替え可能である。

所与の抵抗器を流れる電流フローは、１つの周波数（または、周波数の範囲）を含む有効減衰電力が電力システムにおける低周波数振動に対抗するために達成可能であるようなやり方で、制御可能である。図７および８は、図６の実施形態に関連し、異なる切替え周波数において、時間とともに抵抗器電流を示すシミュレーションしたグラフであり、図７の周波数は８００Ｈｚであり、図８の周波数は８ｋＨｚである。

図９は、別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図であり、減衰変換器は、少なくとも２つのＩＧＢＴモジュール３８、１３８および２３８を備え、特に、ＩＧＢＴモジュールの少なくともいくつかが、図示のように、並列に結合されている場合、図６の実施形態に比べてさらにより柔軟性をもたらす。少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴは、同時にまたは順次、感知される信号に応じて、選択的に切り替えられる。

モジュールの結合により、より費用のかからない成分が、必要な減衰を達成するために選択されることが可能になる。一例では、各脚１４１が、２ＭＶＡ（メガボルトアンペア）以下の電力定格を有する。より具体的な例では、各モジュールが、１ＭＶＡ以下の電力定格を有する。

図１０は、通常動作（動的安定化）の下での図９の実施形態に関連するシミュレーションしたグラフであり、図９の様々な切替えデバイスに関して時間とともに電流を示し、下側の行上の一方のＩＧＢＴは、他方のＩＧＢＴの後に切り替えられ、したがって、減衰エネルギーは、抵抗器全体に熱的に分配される。

図１１は、電圧ライドスルー状態（過渡的安定化）の下での図１０の実施形態に関連する１組のシミュレーションしたグラフであり、時間とともに線間電圧、線電流および変調された電力を示している。線グラフによって分かることができるように、１００ｍｓ後の間もなく、実際の線間電圧（「線間電圧」として示す）は、公称の５０パーセントに下がる。３つのＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴすべてを同時に切り替えることによって、減衰電流（「線電流」として示す）は増加し、したがって、減衰電力（「変調された電力」として示す）はさらに利用可能になる。

本明細書に開示の実施形態は、過渡的および動的安定性の双方をもたらすために使用可能であり、限定された公称電力を有する電力システムである。１つまたは複数の標準低電圧電力変換モジュールは、安定化されるべき電力の量に応じて必要とされるモジュールの数により使用可能である。複数のモジュール実施形態は、拡張性、冗長性、費用有効性、およびライドスルー能力などの追加の利点をもたらすと期待される。

本明細書に開示の実施形態の別の利点は、モジュール設計により、電力システム安定化装置が分配型システムとして設置されることが（すなわち、図１に示すように、電力システムの種々の場所に複数のセンサおよび減衰抵抗器を設置することによって）可能になることである。分配型安定化装置システムは、短絡が安定化装置モジュールのうちの１つが接続されているバスバーに生じた場合（つまり、１つの安定化装置モジュールは影響を受けるが、その他の安定化装置モジュールは影響を受けないとき）でも、安定性をもたらすことが可能である。

本発明の特定の特徴のみを本明細書に図示し、述べてきたが、多くの修正形態および変更形態が、当業者には思い当たるであろう。そのため、本発明の真の精神の範囲に入るとき、添付の特許請求の範囲はこの種の修正形態および変更形態のすべてに及ぶことを意図していることを理解すべきである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本明細書に開示の一実施形態による電力システム安定化装置の概略図である。 本明細書に開示の別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図である。 本明細書に開示の別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図である。 図３の実施形態に関連し、時間とともに抵抗器の電流を示すシミュレーションしたグラフである。 図３の実施形態に関連し、時間とともに抵抗器の電流およびフィルタリングされていない有効電力を示すシミュレーションしたグラフである。 本明細書に開示の別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図である。 図６の実施形態に関連し、時間とともに抵抗器の電流を示すシミュレーションしたグラフである。 図６の実施形態に関連し、時間とともに抵抗器の電流を示すシミュレーションしたグラフである。 本明細書に開示の別の実施形態による電力システム安定化装置の概略図である。 図９の実施形態に関連し、図９の様々な切替えデバイスに関して時間とともに電流を示すシミュレーションしたグラフである。 図９の実施形態に関連し、時間とともに線間電圧、線電流、および変調された電力を示す１組のシミュレーションしたグラフである。

符号の説明

１０ 電力システム
１２ 安定化装置
１４、１１４、２１４ センサ
１５、１１５ 発電機
１６、１１６、２１６、３１６ コントローラ
１７ モータ
１８、１１８、２１８、３１８ 減衰器
２０、１２０、２２０ 減衰変換器
２２、１２２、２２２、３２２、４２２ 抵抗器
２４、１２４、２２４ 電力バス
２６ 変圧器
２８、１２８ インダクタンス
３０ サイリスタ
３４ ダイオード整流器
３６ コンデンサ
３８ ＩＧＢＴモジュール
４０、１４０ ＩＧＢＴ
４１、１４１ 脚
４２ ＩＧＢＴ

Claims (8)

1. 電力システム（１０）安定化装置（１２）であって、
   前記電力システムの電気機械的振動を示す信号を感知するために構成されているセンサ（１４）と、
   前記感知された信号を使用して前記電気機械的振動を減衰するための制御信号を生成するために構成されたコントローラ（１６）と、
   減衰変換器（２０）および前記減衰変換器に結合されている抵抗器（２２）を備える減衰器（１８）であって、前記減衰変換器が、電力バス（２４）を通じて前記電力システムに結合されており、前記制御信号を使用して前記電気機械的振動を減衰するために構成されている、減衰器と、
   を備え、
   前記制御信号により、前記電気機械的振動を減衰させて、前記電力システムに動的安定性および過渡的安定性を与え、
   前記減衰変換器が、少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールを備え、
   前記コントローラは、前記少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴを、同時にまたは順次、選択的に切替えるように構成されている、
   安定化装置。
2. 前記減衰変換器が、前記少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールに順に結合されているコンデンサに並列に結合されているダイオード整流器を備える、請求項１に記載の安定化装置。
3. 前記少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールのそれぞれが、各対は別の対に並列に結合されている３対のＩＧＢＴを備える、請求項２に記載の安定化装置。
4. 前記抵抗器が複数の抵抗器を備え、各抵抗器がそれぞれ対のＩＧＢＴのうちの一方のＩＧＢＴの両端間に結合されている、請求項３に記載の安定化装置。
5. 電力システム安定化装置（１２）を備える電力システム（１０）であって、前記安定化装置が、
   前記電力システムの電気機械的振動を示す信号を感知するために構成されているセンサ（１４）と、
   前記感知された信号を使用して前記電気機械的振動を減衰するための制御信号を生成するために構成されているコントローラ（１６）と、
   減衰変換器（２０）および前記減衰変換器に結合されている抵抗器（２２）を備える減衰器（１８）であって、前記減衰変換器が、電力バス（２４）を通じて前記電力システムに結合されており、前記制御信号を使用して前記電気機械的振動を減衰するために構成されている、減衰器と、
   を備え、
   前記制御信号により、前記電気機械的振動を減衰させて、前記電力システムに動的安定性および過渡的安定性を与え、
   前記減衰変換器が、少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールを備え、
   前記コントローラは、前記少なくとも２つのＩＧＢＴモジュールのＩＧＢＴを、同時にまたは順次、選択的に切替えるように構成されている、
   電力システム。
6. 前記電力システムが、石油、ガスまたはそれらの組合せを得るためのアセンブリに電力を供給するために構成されている電力システムを備える、請求項５に記載の電力システム。
7. 前記電力システムが風力タービンを備える、請求項５に記載の電力システム。
8. 前記減衰器が、前記電力システム内の種々の場所に複数の減衰器（１８、１１８）を備える、請求項５に記載の電力システム。