JP5449831B2 - 可変速度発電機を始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、可変速度発電機を始動させかつ稼働させることに関する。

この関連で、多くの発電機は、ステータコンバータでステータ内に電流を誘導しかつロータコンバータでロータ内に電流を誘導ことによって始動される。ステータコンバータからの電流は、機械内の磁束と相互作用して発電機におけるトルクを発生させる。このトルクは、発電機ロータ及び該発電機の原動機を回転させる。発電機原動機が定格始動速度に達すると、発電機原動機内で燃料が点火される。一旦原動機が作動すると、発電機は、発電するように電気的に調整することができる。

発電機の始動シーケンスの間に、ステータコンバータはステータに電流を送り、またロータコンバータはロータに電流を送る。ステータ及びロータ電流の電圧と周波数との間の関係は、発電機内の磁束及びステータによって生じたトルクに作用して、発電機を始動させる。始動中に、ステータ内の電圧は、ステータコンバータが定格電圧及び周波数限界値に達するまで増大する。ステータコンバータの電圧定格により、発電機内に生じる磁束が制限されて、或る速度において該ステータコンバータの電圧限界値に従って磁束を減少させなければならないようになる。このことにより、発電機を始動させるのに使用可能なトルクには、限界が生じることになる。

多くの発電機は、ロータに対してＤＣ電流を出力するロータコンバータを使用している。ＤＣ電流は周波数を有していないので、ロータ電流の周波数は、調整することができない。ロータ電流の周波数を調整することにおける限界により、ステータが発生することができる使用可能な始動トルクが制限される。

米国特許第６，４８６，６４０号公報

始動シーケンスの間に発電機内における使用可能な磁束及びトルクを増大させることが望ましい。

発電機を始動させる方法を提供し、本方法は、それを通るＡＣ電圧でロータを始動させるステップと、ステータを作動開始させるステップと、ロータの速度を増大させるステップとを含む。

発電機を始動させる別の方法を提供し、本方法は、ロータを始動させるステップと、第１の位相シーケンスを有するステータを作動開始させるステップと、ロータの速度を増大させるステップと、ロータに対して第２の位相シーケンスを適用するステップとを含む。

発電システムの例示的な実施形態を提供し、本発電システムは、発電機を含み、該発電機は、ステータと、ロータと、該発電機の速度を制御するように動作する第１のロジックを備えた速度制御装置とを含み、本発電システムはまた、可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置を含み、該ＶＦＧ励磁装置は、ステータにＡＣ電力を供給するように作動する第１のコンバータと、ロータにＡＣ電力を供給するように作動する第２のコンバータとを含み、本発電システムはさらに、ＶＦＧ励磁装置の作動を制御するように動作する第２のロジックを備えたＶＦＧ励磁装置制御装置を含み、該第２のロジックはさらに、ロータを通してＡＣ電圧で該ロータに電流を加えるように作動する第２のコンバータを作動開始させ、ステータに電流を加えるように作動する第１のコンバータを作動開始させ、かつロータの速度を増大させるように動作する。

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。

発電するための例示的なシステムのブロック図。 発電機を始動させる例示的な方法のフロー図。 図２の発電機を始動させる例示的な方法の例示的なパラメータを示すプロット図。 図２の発電機を始動させる例示的な方法の例示的なパラメータを示すプロット図。 図２の発電機を始動させる例示的な方法の例示的なパラメータを示すプロット図。 図２の発電機を始動させる例示的な方法の例示的なパラメータを示すプロット図。

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。

この点を念頭において図１を参照すると、システム１００は、発電機１０２を含む。この図示した例示的な実施形態では、発電機１０２は、４ｋＶ、３．６ｋＡの定格になった三相ロータ（図示せず）と１８ｋＶの定格になったステータ（図示せず）とを備えたガスタービン発電機であるが、発電機１０２は、設計に応じて必要とされるその他の負荷の定格にすることができる。この図示した実施形態では、発電機１０２は、３つのスリップリングを含む。発電機１０２のロータ及びステータは、第１のスイッチ（Ｓ１）１０３及び第２のスイッチ（Ｓ２）１０５を介して可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置１０４に接続される。

ＶＦＧ励磁装置１０４は、ＤＣリンク１０６を含む。コンバータ（Ｇ１）１１２が、ブレーカ１１８を介してＤＣリンク１０６及び３．３ｋＶ電源１１４に接続される。ＶＦＧ励磁装置１０４はまた、各々がＤＣリンク１０６に接続された第１のコンバータ（Ｒ１）１２０及び第２のコンバータ（Ｒ２）１２２を含む。Ｒ２はまた、発電機１０２ロータに対して接続される。Ｒ１ １２０は、Ｓ２が閉鎖された時にＲ１ １２０が発電機１０２ロータに対してＲ２ １２２と並列に接続されるように、Ｓ１ １０３及びＳ２ １０５に接続される。Ｓ２ １０５が開放されかつＳ１ １０３が閉鎖された時に、Ｒ１ １２０は、発電機１０２ステータに接続される。ＶＦＧ励磁装置は、プロセッサを有する制御装置によって制御される。

この図示した例示的な実施形態では、発電機１０２ステータの電力出力は、ブレーカ１１９を介して発電機ステップアップユニット（ＧＳＵ）１２８上の三次巻線に接続される。ＧＳＵは、３．３ｋＶ電源１１４及び高電圧（ＨＶ）電力網１３０に電力を出力する。ブレーカ１１８は、ＨＶ電力網１３０との間に配置することができる。システム１００の運転モードには、稼働運転及び始動運転が含まれる。稼働運転中に、ＶＦＧ励磁装置１０４は、ブレーカ１１８を介して３．３ｋＶ電源１１４からＡＣ電力を受ける。Ｇ１ １１２は、ＡＣ電力を受け、かつ該ＡＣ電力をＤＣ電力に変換してＤＣリンク１０６に電力供給する。Ｇ１ １１２はまた、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するのに先立って、３．３ｋＶ電源１１４のＡＣ電圧を適当な電圧に変圧することができる。

Ｒ１ １２０及びＲ２ １２２は、ＤＣリンク１０６からＤＣ電力を受け、かつ該ＤＣ電力を発電機１０２ロータのためのＡＣ電力（４ｋＶ、３．６ｋＡ）に変換する。稼働運転中の間には、Ｓ１ １０３は開放されかつＳ２ １０５は閉鎖される。従って、Ｒ１ １２０及びＲ２ １２２は、発電機１０２ロータに対して並列に接続される。

発電機１０２は、電圧変換のために発電機ブレーカ１１９を介してＧＳＵ１２８に対してＡＣ電力を出力する。この図示した実施形態では、ＧＳＵ１２８は、三次巻線を含む。ＧＳＵは、発電機１０２の出力電圧（１８ｋＶ）を３．３ｋＶ電源１１４及びＨＶ電力網１３０のための適当な電圧に変換する。この図示した実施形態では、ＧＳＵ１２８は、３．３ｋＶ、１２ＭＶＡを３．３ｋＶ電源１１４に送り、また２３０ＭＶＡをＨＶ電力網１３０に送る。ブレーカ１１８は、ＨＶ電力網１３０とＧＳＵ１２８との間に配置することができる。３．３ｋＶ電源１１４及び発電機１０２ロータ上には、高調波フィルタ（図示せず）を含むことができる。

始動運転中に、発電機１０２ステータは、発電機１０２を回転させる電力（トルク電流）をＶＦＧ励磁装置１０４から受ける。発電機１０２ロータもまた、ＶＦＧ励磁装置１０４から電力を受ける。発電機１０２の回転は、発電機１０２原動機を回転させる。原動機が適正速度で回転すると、原動機内の燃料が点火され、発電機１０２は、発電を開始する。発電機１０２が発電を開始すると、システム１００は、稼働状態で作動するように構成することができる。

この点に関して、始動運転中の間には、発電機ブレーカ１１９は開放され、Ｓ１ １０３は閉鎖され、またＳ２ １０５は開放されている。従って、ＶＦＧ励磁装置１０４は、Ｒ１ １２０を介して発電機１０２ステータに対して電力を供給し、また同様にＲ２ １２２を介して発電機１０２ロータに対しても電力を供給する。発電機１０２原動機が始動すると、発電機１０２ステータへの電力は最早や必要とされず、システム１００は、稼働運転へと移行する。従って、Ｒ１ １２０は遮断され、Ｓ１ １０３は開放され、またＳ２ １０５は閉鎖されて、Ｒ１ １２０及びＲ２ １２２が並列に配置される。ＶＦＧ励磁装置１０４は、速度（スリップ範囲内の）とは関係なく発電機ブレーカ１１９の両端間の電圧をゼロにし、また該発電機ブレーカを閉鎖して、ＨＶ電力網１３０に電力を提供することができる。

発電機１０２を迅速にかつ効率良く始動させることは、システム１００における構成要素の構成及び定格に与えることが可能な大半のトルクを発電機１０２ロータが出力する時に最も効果的に達成することができる。従って、その他の方法ではなくて、発電機１０２がより多くのトルクを出力することが可能になる始動方法を使用するのが望ましい。

図２及び図３には、例示的な始動方法をより詳細に説明している。図２を参照すると、Ｒ２ １２２は、ブロック２０２において、ポジティブ位相シーケンスで作動開始される。Ｒ２ １２２の周波数は、定格ロータ電流及び発電機磁束をコンバータＲ２ １２２の定格の範囲内で発生させることが可能になるようにすべきである。電流は、ブロック２０４において、発電機１０２が定格全磁束に達するまで増大する。ブロック２０６において、コンバータＲ１ １２０が、作動開始する。コンバータＲ１ １２０の周波数は、Ｒ２ １２２の周波数にロータの速度をプラスしたものである。始動時において、ロータ速度はゼロ（０）に等しいので、Ｒ１ １２０の周波数は、Ｒ２ １２２の周波数に等しい。Ｒ１ １２０コンバータは、Ｒ２ １２２の周波数及び電圧に一致して、所望のトルクを達成するのに必要な電流に達することになる。ブロック２０８において、電流がステータ内で増大して、発電機１０２における所望のトルクを達成する。ブロック２０９において、所望のステータトルクは、発電機１０２の速度調整装置によって調整して、所望の速度を達成する。速度コマンドは、時間の経過と共に単調増加させることができる。

図３（Ａ〜Ｄ）を参照すると、プロットＡは、発電機速度が０ｐｕである間、該発電機内の磁束は１ｐｕであることを示している。ロータ周波数は、プロットＣに示すように約３Ｈｚであり、一方、ステータ電流周波数は、プロットＢに示すように約０．０５ｐｕである。この図示した実施形態では、機械の定格周波数は６０Ｈｚであるので、従ってロータについての３Ｈｚは、ステータについての０．０５ｐｕと同じであり、すなわちステータ周波数とロータ周波数とは、同一である。プロットＤを参照すると、ロータ電圧は約３．３ｋＶで一定であり、またステータ電圧は約１．１ｋＶである。

速度が増大するにつれて、ステータ電圧及び周波数もまた、プロットＤ及びＢに示すように増大する。ブロック２１０においてステータが定格ステータ電圧限界値に達するのに応答して、ブロック２１０においてロータの位相シーケンスが逆になる。

ロータの位相シーケンスが逆にされると、ステータの周波数及び電圧が低下する。速度が増大し続けると、ステータ周波数及び電圧は、再び増大することになる。ブロック２１５において、ブロック２１４においてステータが定格ステータ電圧限界値に達するのに応答して、本方法は、ブロック２１６に進む。この例示した実施例では、ステータ電圧は、約０．２２ｐｕの速度において定格限界値に達する。

ブロック２１６において、ロータ電流が下限磁束まで低下して、速度がさらに増大した時にＲ１ １２０及びＲ２ １２２は一定の電圧で作動するようになる。例えば、一定の電圧は、Ｒ１ １２０及びＲ２ １２２のそれぞれの定格電圧とすることができる。プロットＡは、発電機の速度が増大すると該発電機内の磁束が減少することを示している。プロットＤは、ステータの定格電圧に達すると、ステータの電圧が一定状態に保持されることを示している。原動機（例えば、ガスタービン）の定格始動速度に達すると、原動機は始動させることができ、システムは、ブロック２１８において示すように、運転稼働モードで発電機１０２を作動させるように調整することができる。

下記の表は、図２の本方法を要約している。これに関して、図２の各種ブロックに対応する始動操作には、３つの一般的状態がある。

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。

１０２ 発電機
１０４ 可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置
１０３ 第１のスイッチ（Ｓ１）
１０５ 第２のスイッチ（Ｓ２）
１０６ ＤＣリンク
１１２ コンバータ（Ｇ１）
１１４ ３．３ｋＶ電源
１１８ ブレーカ
１１９ ブレーカ
１２０ 第１のコンバータ（Ｒ１）
１２２ 第２のコンバータ（Ｒ２）
１２８ 発電機ステップアップユニット（ＧＳＵ）
１３０ 高電圧（ＨＶ）電力網

Claims (9)

1. 発電機（１０２）を始動させる方法であって、
   ロータを通るＡＣ電圧で前記ロータを始動させるステップであって、前記ＡＣ電圧は前記ロータに接続されたＡＣ電源から供給される、ステップと、
   前記ロータへの電力供給を遮断せずに、前記ステータに接続されたＡＣ電源からステータへの電力供給を開始するステップと、
   前記ステータに供給する電力の周波数を増加させて、前記ロータの速度を増大させるステップと、
   を含む、
   方法。
2. 前記発電機（１０２）が定格全磁束に達するまで前記ロータ内の電流を増大させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ステータを作動開始させるステップに応答して前記ステータ内の電流を増大させて所望のステータトルクを達成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 前記ロータが、第１の位相シーケンスで始動される、請求項１記載の方法。
5. 定格ステータ電圧限界値に達したステータ電圧に応答してロータコンバータ（１２０）の前記第１の位相シーケンスを逆にして、該ステータ電圧を低下させるステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
6. ステータ電圧が定格ステータ電圧限界値に達するまで前記発電機（１０２）の速度を増大させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. 前記発電機（１０２）の第１の速度に達するまで前記ロータ内の電流の周波数及び該ロータの速度並びに前記ステータ内の電流の周波数及び該発電機（１０２）の速度を増大させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
8. 前記発電機（１０２）の発動機の始動速度に達するまで前記ロータ内の電流の周波数及び該ロータの速度並びに前記ステータ内の電流の周波数及び該発電機の速度を増大させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 前記発電機（１０２）の発動機を始動するステップと、
   発動機の始動後に、第１のコンバータ（１２０）および第２のコンバータを、並列に前記ロータに結合するステップと、
   をさらに含み、
   前記第１のコンバータ（１２２）は、前記ロータに接続されたＡＣ電源であり、
   前記第２のコンバータ（１２０）は、前記ステータに接続されたＡＣ電源である、
   請求項１に記載の方法。