JP5336244B2 - 可変速度発電機を作動させることに関連するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、総括的には発電機に関し、より具体的には、電力網上で可変速度発電機を稼働させることに関する。

この点に関して、電力網は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのほぼ設定周波数で作動する。電力を発生する発電機は、多くの場合に、電力網周波数に固定された速度で作動する。電力網周波数に固定された一定速度で作動する発電機は、同期発電機と呼ばれる。

非同期発電機は、可変速度で作動し、かつ各々が電力コンバータによって制御されるステータとロータとを含む。電力コンバータは、ステータ及びロータの電場を制御し、かつ電力網周波数に一致した周波数を出力するようにその電場を調整する。発電機の速度が変化するにつれて、電力コンバータは、ステータ及びロータの電場を電力網周波数に一致するように継続的に調整し、そのために、発電機速度は、電力網周波数に固定されない。

非同期発電機を使用する１つの利点は、原動機としてガスタービンエンジンを使用する場合に実現される。最高温度で作動している時に、ガスタービンエンジンは、該ガスタービンエンジンの速度が増大するとその出力が増大する。エンジンの速度が増大すると、エンジンを通る空気のボリュームが増加し、またエンジンは、温度限界値を順守しながらより多くの燃料を燃焼させ、それによって、より多くの機械的出力を発生させることができる。非同期発電機を使用することにより、ガスタービンエンジン原動機は、電力網周波数に固定された同期発電機による場合よりも高速で作動することが可能になる。

電力網上で作動している間に、例えば電力網に電力を供給している他の発電機が故障すると、発電機への負荷が増加することになり、電力網の周波数が低下する可能性がある。電力網上の発電機は、この周波数低下を２つの時間枠で軽減する。同期発電機は、電力網周波数に固定されているので、その速度は、周波数低下に対応して低下することになる。最初の一瞬の間に、同期機械の慣性として蓄積されたエネルギーは、それら同期機械の速度を低下させながら電力網に送給され、周波数低下率を軽減し、タービン制御が燃料を増加させるように作用する時間を与える。次の数秒の間に、タービン内の燃料増加により、電力網への発電不足が補われる。

電力網への非同期発電機の導入は、電力網周波数が低下したとしても、電力網発電不足の間にガスタービンの速度を増大させることによって該ガスタービンからのより多くの出力を可能にする利点を有する。しかしながら、速度を増大させる作用は、タービン発電機の慣性を加速させるために、初期の一瞬の間に電力網から電力を引き出すことになる。

従って、本発明の目的は、速度低下による電力網混乱に対する初期の利点及びその後の速度増大による長期的利点の両方を達成する方策を構成することである。

非同期発電機を作動させる例示的な方法を提供し、本方法は、電力網周波数が低下した兆候を受信するステップと、兆候の受信に対応して、第１の時間期間の間に非同期発電機の速度を第１の速度から第２の速度に低下させて、該非同期発電機の速度の低下により、該非同期発電機の全体出力の一時的増大を生じさせるようにするステップと、第１の時間期間の終了に対応して、非同期発電機の速度を第２の速度から第３の速度に増大させるステップとを含む。

例示的な実施形態は発電システムを含み、本発電システムは、原動機と、非同期発電機と、原動機及び非同期発電機を制御するように動作するプロセッサとを含み、プロセッサによる制御は、電力網周波数が低下した兆候を受信するステップと、兆候の受信に対応して、第１の時間期間の間に非同期発電機の速度を第１の速度から第２の速度に低下させて、該非同期発電機の速度の低下により、該非同期発電機の全体出力の一時的増大を生じさせるようにするステップと、第１の時間期間の終了に対応して非同期発電機の速度を第２の速度から第３の速度に増大させるステップとによって実行される。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、その全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時に、一層良好に理解されるようになるであろう。

可変速度発電機の作動特性の例示的な実施形態を含む発電機の作動特性の実施例。 発電するための例示的なシステムのブロック図。 発電する例示的な方法のブロック図。

以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態の完全な理解を得るために、多くの具体的な詳細事項を説明する。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細事項を使用しないで実施することができること、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではないこと、また本発明は、種々の別の実施形態として実施することができることは、当業者には解るであろう。その他の場合では、周知の方法、手順及び構成要素は、詳細には説明していない。

さらに、様々な操作は、本発明の実施形態を理解するのに役立つ方法で実行した複数の個別のステップとして説明することができる。しかしながら、説明の順序は、それら操作を提示した順序で実行することが必要であることを意味すると解釈すべきではなく、或いはそれらは、順序依存である場合すらある。さらに、「実施形態では」という語句の反復使用は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らないが、同じものを指す場合もある。最後に、本出願で使用する場合に、「含む」、「備える」、「有する」などの用語は、特に明記しない限り同義であることを意図している。

発電機は、原動機と発電機とを使用して電力を生成する。同期発電機は、電力網周波数（例えば、６０Ｈｚ）に固定された速度で作動する。電力網負荷が増大すると、同期発電機は、原動機が燃焼させる燃料の量を増加させて原動機による機械的出力を増大させる。機械的出力の増大により、発電機による電力出力の増大が生じる。しかしながら、同期発電機の速度は、電力網周波数に対応し続ける。

幾つかの発電機が故障した場合のような危機的事象が電力網上に発生すると、多くの場合に残りの発電機への電気負荷が増大する。負荷の増大により、電力網周波数の低下が生じる可能性がある。同期発電機の速度は電力網周波数に対応するので、発電機速度が低下して、低い電力網周波数を出力することになる。

非同期発電機は、その速度が電力網の周波数によって制限されない。負荷が増大しかつ電力網の周波数が低下した場合には、発電機の速度は、増大させることができる。発電機の速度を増大させるために、発電機の原動機は、発電機を加速しなければならない。発電機を加速するために使用されるエネルギーにより、加速の間に発電機による全体（電力）出力の低下が生じる。周波数の低下は、電力網の危機的事象の結果となる（すなわち、電力網がオンラインの発電機からの付加的電力を必要とする）可能性があるので、加速の間における発電機による全体出力の低下は望ましくなく、危機的事象に悪影響を与えるおそれがある。

図１は、危機的電力網事象の実例の間における発電機の実施例の幾つかの作動特性を含む。「（ａ）従来型の発電機」と標示したグラフの左欄は、電力網周波数の低下に対する同期発電機の応答の実施例を示している。「（ｂ）基本的ＶＦＧ」と標示したグラフの中央欄は、ガスタービンエンジン原動機によって動力供給される、非同期発電機とも呼ばれる可変周波数発電機（ＶＦＧ）の応答の実施例を示している。「（ｃ）安定化付ＶＦＧ」とタイトルを付した右欄は、電力網安定化付ＶＦＧの例示的な実施形態の応答のグラフを含む。

欄（ａ）を参照すると、０秒の時間において、同期発電機の周波数は、１ｐｕである。発電機の速度もまた、１ｐｕである。タービン出力と発電機による全体出力とは、１００ＭＷである。スリップは、発電機速度と電気出力の周波数との間の差を表している。

およそ１秒の時間で、電力網周波数（図示せず）が、低下する。電力網周波数の低下は、電力網に電力供給する他の発電機の故障のような危機的事象後に生じる可能性がある。電力網周波数の低下は、発電機の周波数の低下を引き起こす。発電機が同期発電機であるので、発電機の速度もまた、電力網に一致するように低下する。発電機の速度が低下すると、発電機の慣性エネルギーが電力に変換され、この変換により、電力網に送られる全体電力のおよそ１２０ＭＷまでの一時的増大が生じ、またタービンによる機械的出力の低下が生じる。電力網に送られる全体電力の増大は、およそ３秒の時間までに生じる。発電機の速度低下による電力網への全体電力の一時的増大は、その増大が電力網への危機的事象の影響を減少させる結果となる可能性があるので望ましい。およそ３秒の時間で、発電機周波数及び速度は、０．９５ｐｕの新規な下限電力網周波数に達し、発電機の速度は、一定の０．９５ｐｕに保たれる。同期発電機の速度は電力網周波数に対応しなければならないので、原動機による出力は、原動機の作動定格によって制限される。タービンの全体出力は、１００ＭＷ以下に保たれる。

発電機の原動機として可変速度ガスタービンを使用することによって、タービンの速度が増大するにつれてタービンの出力を増大させることが可能になる。図１は、「（ｂ）基本的ＶＦＧ」と標示したグラフの中央欄を含み、この「（ｂ）基本的ＶＦＧ」は、ガスタービンエンジン原動機によって動力供給される、非同期発電機とも呼ばれる可変周波数発電機（ＶＦＧ）の応答の実施例を示している。

図１の欄（ｂ）を参照すると、０秒の時間において、非同期発電機の周波数は、１ｐｕである。発電機の速度は、およそ０．９７ｐｕである。タービン出力と全体電力とは、１００ＭＷである。スリップは、０．０３ｐｕで一定である。およそ１秒の時間で、電力網周波数（図示せず）が、低下する。電力網周波数の低下に対応して、電力網により多くの電力を送給するようにタービン速度が増大する。タービンの速度が増大すると、より多くの燃料をタービンによって燃焼することができ、それによってタービン出力を増大させることができる。速度及びタービン出力の増大は、発電機の慣性に打ち勝ちかつ発電機速度を加速するために、より多くの機械的エネルギーを発電機に送給することを必要とする。発電機に送給される機械的エネルギーの増大は、発電機による全体出力の一時的損失を引き起こす。発電機の加速の間における全体出力の損失は、欄（ｂ）の「全体電力（ＭＷ）」とタイトルを付したグラフに示している。発電機の速度がおよそ１０秒の時間で１ｐｕに達すると、発電機の加速が停止され、速度は一定に保たれる。タービンから得られた電力と発電機の全体電力とは、１００ＭＷ以上で一定に保たれる。電力網周波数の低下後に発電機によって得られた全体出力は１００ＭＷよりも大きいが、周波数の低下の初期における全体出力の一時的損失は、電力網がその安定性を維持するために電力網周波数の低下の直後により多くの電力を必要とする可能性があるので、望ましくない。

図２は、配電網に電力を出力する非同期発電機１０４に連結されたガスタービンエンジン１０２を含む可変速度発電システム１００の例示的な実施形態を示している。制御装置１０６が、ガスタービンエンジン１０２及び非同期発電機１０４に通信可能に接続される。非同期発電機１０４はまた、励磁装置（図示せず）を含むことができ、励磁装置もまた、制御装置１０６によって制御することができる。

可変速度発電システム１００の例示的な実施形態の作動は、制御装置１０６を使用して、エンジン１０２と非同期発電機１０４との作動を制御する。電力網周波数の低下（電力網事故）の実例の間におけるシステム１００の作動は、「（ｃ）安定化付ＶＦＧ」とタイトルを付した右欄において図１に示す。

図１の欄（ｃ）を参照すると、０秒の時間において、非同期発電機１０４の周波数は、１ｐｕである。非同期発電機１０４の速度は、およそ０．９７ｐｕである。エンジンのタービン出力と該エンジンによる全体出力とは、１００ＭＷである。スリップは、０．０３ｐｕで一定である。およそ１秒の時間で、電力網周波数（図示せず）が、低下する。電力網周波数の低下に対応して、制御装置１０６は、エンジン１０２及び非同期発電機１０４に速度を低下するように指示する。速度の低下により、非同期発電機１０４の慣性エネルギーの電気エネルギーへの変換に起因して非同期発電機１０４による全体出力の一時的増大が生じる。この図示した実施形態では、全体電力は、１秒の時間でおよそ１２０ＭＷに増大し、２秒の時間でおよそ９５ＭＷに低下する。

２秒の時間で、制御装置１０６は、エンジン１０２及び非同期発電機１０４の速度を増大させる。１２秒の時間において、非同期発電機１０４の速度は、１．００ｐｕでありかつ一定に保たれ、得られたタービン出力と全体電力とは、１００ＭＷ以上に保たれる。

図３は、電力網周波数が突然低下した時にシステム１００を制御するために使用することができる制御機能の例示的な実施形態のブロック図を示している。機能は、時定数を有するフィルタ３０１と、ブロック３０３におけるゲインＫ１と、ブロック３０５におけるゲインＫ２とを含む。機能における速度及び周波数は、システム１００が電力網と同期して稼働しておりかつ電力網が公称周波数にある時にその各々が１に等しい公称単位で表している。

作動中に、電力網からの周波数フィードバック信号は、フィルタ３０１によってフィルタ処理される。フィルタ時定数は、電力網周波数における突然の低下に対応した一時的発電機速度低下の持続時間を決定する。フィルタ３０１は、周波数フィルタ処理信号を出力する。周波数フィードバック信号から周波数フィルタ処理信号を減算することにより、周波数信号における差（ｄＦｒｅｑ）が得られる。ｄＦｒｅｑ信号は、ブロック３０５におけるゲインＫ２が乗算される。ゲインＫ２は、電力網周波数の突然の低下に対応して発電機速度を一時的にどれくらい低下させるかを決定する。

基準速度信号は、電力網が公称周波数にありかつ定常状態にある時における発電機の所望速度である。基準速度信号から周波数フィルタ処理信号を減算し、ブロック３０３におけるゲインＫ１を乗算する。ゲインＫ１は、電力網周波数の低下に比例して速度をどれくらい増大させるかを決定する。ブロック３０３及び３０５におけるゲインＫ１及びゲインＫ２の出力を加算して、制御装置１０６（図１）に送信することができる速度命令信号が得られる。

本システム１００の作動は、電力網周波数の低下に対応して非同期発電機１０４による全体出力を一時的に増大させること、並びにエンジン１０２及び非同期発電機１０４の速度が一旦増大すると全体出力を増大させることの有利な特徴を組込む。全体電力の一時的増大は、周波数の低下の間すなわち危機的な時に電力網の電力を増大させることによって電力網の安定性に寄与することができる。本システム１００はさらに、電力網の周波数が一定状態になると、より高速で作動しかつより多くの電力を電力網に送給することによって電力網の安定性に寄与する。

本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、またさらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１００ システム
１０２ エンジン
１０４ 非同期発電機
１０６ 制御装置
３０１ フィルタ
３０３ ゲインＫ１
３０５ ゲインＫ２

Claims (10)

1. 非同期発電機（１０４）を作動させる方法であって、
   電力網周波数が低下した兆候を受信するステップ（３０１）と、
   前記兆候の受信に対応して、第１の時間期間（３０３、３０５）の間に前記非同期発電機の速度を第１の速度から第２の速度に低下させて、該非同期発電機（１０４）の速度の低下により、該非同期発電機（１０４）の全体出力の一時的増大を生じさせるようにするステップと、
   前記第１の時間期間の終了に対応して、前記非同期発電機（１０４）の速度を第２の速度から第３の速度に増大させるステップと、を含む、
   方法。
2. 前記第１の時間期間が、前記電力網周波数及びフィルタ時定数（３０１）の関数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の速度が、前記電力網周波数からフィルタ処理電力網周波数を減算しかつ第１のゲイン値（３０５）を乗算した関数である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第３の速度が、公称発電機速度からフィルタ処理電力網周波数を減算しかつ第２のゲイン値（３０３）を乗算した関数である、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記非同期発電機（１０４）が、タービンエンジン（１０２）によって動力供給される、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 原動機（１０２）と、
   非同期発電機（１０４）と、
   前記原動機（１０２）及び非同期発電機（１０４）を制御するように動作するプロセッサ（１０６）と、
   を含み、前記プロセッサによる制御が、
   電力網周波数が低下した兆候を受信するステップ（３０１）と、
   前記兆候の受信に対応して、第１の時間期間（３０３、３０５）の間に前記非同期発電機の速度を第１の速度から第２の速度に低下させて、該非同期発電機（１０４）の速度の低下により、該非同期発電機（１０４）の全体出力の一時的増大を生じさせるようにするステップと、
   前記第１の時間期間の終了に対応して、前記非同期発電機（１０４）の速度を第２の速度から第３の速度に増大させるステップと、によって実行される、
   発電システム（１００）。
7. 前記第１の時間期間が、前記電力網周波数及びフィルタ時定数（３０１）の関数である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第２の速度が、前記電力網周波数からフィルタ処理電力網周波数を減算しかつ第１のゲイン値（３０５）を乗算した関数である、請求項６又は７に記載のシステム。
9. 前記第３の速度が、公称発電機速度からフィルタ処理電力網周波数を減算しかつ第２のゲイン値（３０３）を乗算した関数である、請求項６乃至８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記原動機（１０２）が、タービンエンジン（１０２）である、請求項６乃至９のいずれかに記載のシステム。
    
    

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