JP6022711B2 - ガスタービン発電システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン発電システムの安定性の改善に係り、特にガスタービン発電機の系統擾乱時における運転継続性能（以下、「ＦＲＴ」と称する）を保証するタービン翼共振回避機構に関する。

近年、分散電源の進展に伴い、原子力発電所、火力発電所、水力発電所等の従来型の発電所に加えて、再生可能エネルギー源を利用した発電の参入により、電力系統の複合化が増大している。再生可能エネルギーは、不確実な性質を有するので、再生可能エネルギー源からの発電は、電力系統の安定性に悪影響を与える出力電力変動特性を有する。出力電力変動特性を緩和するため、電力系統における従来型の発電機は、高速の負荷追従性能を有している。従来の揚水式水力発電に加えて、ガスタービン発電機、蒸気タービン発電機等の高速タービン発電機は、高速の負荷追従性能を満たしている。ガスタービン発電機は、変動のスムーズにするための最良の発電システムである。

風力発電、太陽電池発電システム等の再生可能発電機は、系統事故(grid fault)による電圧ディップの発生時に発電機の継続運転を要求する、いわゆる系統擾乱時における運転継続性能（ＦＲＴ）を満たすことが要求される。

このようなＦＲＴに関する技術分野の従来技術として、米国特許出願公開第２０１１／０１０１９２７号明細書がある。この公報には、発電システムが電力を生成するために機械的にタービンに結合された発電機を有することが記載されている。この発電システムは、三相可変抵抗器と三相可変インダクターを備えるFRT（系統事故時運転継続）システムを有する。三相可変抵抗器を制御するための指令（入力）は一つのみであり、その入力により三相可変抵抗器として機能する３つの抵抗器は同時に制御される。三相可変抵抗器は、系統事故中に発電機からの電力を吸収（消費）するために、発電機の出力端子（generator phase terminals）に並列に接続され、三相可変インダクターは、発電機の出力端子と直列で出力端子・系統との間に接続されている。三相可変抵抗器と三相可変インダクターのコントローラは、系統の電圧信号と発電機の回転速度信号を入力して、系統の状態を監視する。このコントローラは、三相可変抵抗器の抵抗値を制御するために、これらの信号を使用する。系統事故が生じた場合には、発電機の接続点における電圧が著しく降下し、三相可変インダクターは、作動する。系統事故中、インダクターは、充分なインダクタンスを提供するために制御され、それにより、可変抵抗器は、発電機のすべての電力を消費する。このようにして、発電機は正常回転を維持し、脱調を引き起こすことなく、ＦＲＴが得られる。

米国特許出願公開第２０１１／０１０１９２７号明細書で意図するＦＲＴは、小型同期発電機のための、系統における瞬時電圧低下時の運転継続性能（LVRT: low voltage ride through capability）であり、可変抵抗器の電圧を維持するために、可変インダクターの助力により電力を吸収し、この可変抵抗器により発電機の過回転に伴う脱調防止を意図するものである。

その他の従来技術として、特開２００１−８４９７号公報に開示される同期発電機の制御システムでは、系統安定化装置が、有効電力の偏差、タービン軸の回転数の偏差、および、電力系統側への出力電圧と同期発電機の内部相差角との位相差の偏差に基づいて、上記有効電力の偏差、上記回転数の偏差、および、上記位相差の偏差を抑制する制御信号を生成し、この制御信号により自動電圧調整装置を介して同期発電機の出力電圧を安定させている。

特開２００７−２８８３５号公報に開示される界磁電流の制御システムでは、発電機において、系統事故時等に発生する大きな外乱の影響を除去して良好な過度安定度を得ることのできる界磁電流の制御システムを提案している。具体的には、界磁巻線に供給する界磁電流を介して系統電圧が一定電圧となるように電圧調整装置を制御している。

特開平１０−４２５８８号公報では、二次励磁電動機の制御装置により可変速発電機を駆動する技術が開示されている。可変速発電機は、回転子すなわち二次側を可変周波数の交流で励磁するものである。この公知例では、可変速発電機が不平衡電圧状況下で運転を行う場合に、一次側に電圧の逆相成分が存在する不平衡電圧の下でも正確な基本波の出力や電圧の逆相分補償を行える制御により発電機を駆動して、電力系統の地絡事故発生時の、不平衡電圧の下でも安定した発電が行えることを開示している。また、逆相成分は、電源電圧の周波数のほぼ２倍の周波数で回転する成分となることが記載されている。

特開２００３−１８００９８号公報では、可変速揚水発電システムにおいて、系統事故により電圧の不平衡が生じた場合、基準電圧発生装置の信号に基づいて発電運転することが開示されている。

一般に、系統事故は、三相交流の平衡事故と不平衡事故に分類が分けられる。不平衡事故は、電力系統で最もありふれたものである。系統に不平衡事故が生じた状態での場合、逆相電流は電力系統から流れる。逆相電流は、発電機の回転子を逆方向に回転させる磁界を形成する。回転子と磁界の相乗作用は、回転子表面で特に高くなる倍周波数電流（５０Ｈｚ電力系統における１００Ｈｚ）を誘起し、それにより回転子に振動を引き起こす。

米国特許出願公開第２０１１／０１０１９２７号明細書 特開２００１−８４９７号公報 特開２００７−２８８３５号公報 特開平１０−４２５８８号公報 特開２００３−１８００９８号公報

従来のガスタービン発電機は、FRT性能を有していない。しかしながら、分散電源接続の系統再生エネルギー発電機の進展に伴い、再生可能エネルギー源と同様に、ガスタービン発電機のような従来型発電の高速負荷追従発電機も、電力系統の安定のために、系統事故の下で同様の継続運転性能（FRT）を有すべきである。

本発明者らは、ガスタービンのFRTの進展の障害となるべき問題点を追及した結果、ガスタービン発電システムは、次のようなガスタービン特有の問題を有することに気付いた。

ガスタービン発電機のような高速タービン発電機は、回転子が多数のタービン翼からなり、それらは多数の機械的な共振点を有する。系統事故下で、シビアな電磁トルク振動が現れる。かりにシビアな電磁振動トルクを十分に減衰できない場合には、タービン羽根（タービン翼）は、振動を引き起こす激しい揺れ動作を経験する。この振動が機械的共振を励起すると、金属疲労とシャフトクラックの可能性やブレードルートクラックが引き起こされる。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、特に電力系統の不平衡事故により引き起こされる振動からタービンを保護することにある。

不平衡事故による逆相電流は、系統周波数の２倍のトルク振動周波数を引き起こすので、タービン発電システムは、各相に不等電流を流すための電圧平衡回路を用いることにより逆相電流を減衰させる方法を有する。前記課題を解決するために、発明は、次のように構成される。

その一つは、ロータがガスタービンと機械的に結合する三相交流発電機を有するガスタービン発電システムにおいて、前記三相交流発電機と接続される電力系統に不平衡事故が生じた時に三相交流電流の不平衡成分を消失或いは打ち消し三相電圧を平衡化するために相ごとに独立して動作可能な可変抵抗器を有する三相電圧平衡化回路を備え、前記三相電圧平衡化回路により、前記不平衡事故に起因する回転子のトルク振動を抑制して翼の機械的共振を回避する共振回避機構を構成し、前記可変抵抗器は、半導体スイッチと複数の抵抗を備え、前記複数の抵抗の内の並列または直列構成の抵抗数と前記半導体スイッチのスイッチング状態に応じて、流れる電流量が変えられるように構成され、前記三相電圧平衡化回路は、前記不平衡成分を減じるための補償インピーダンスに応じて前記半導体スイッチのゲートスイッチングを行うスイッチングロジックと、タービン発電機端子又は発電機の電力系統中継用の変圧器側の電力系統側端子に接続されて、発電機の出力電流を検出する電流センサおよび発電機の出力電圧を検出する電圧センサと、前記電流センサおよび前記電圧センサに接続され、前記電流センサによって検出される前記出力電流および前記電圧センサによって検出される前記出力電圧に基づいて、前記スイッチングロジックへ出力する前記補償インピーダンスを算出するコントローラと、を備え、前記コントローラは、三相システムからの不平衡成分の変換を用いることにより、前記電流センサによって検出される前記出力電流の正相成分および逆相成分の大きさと角度を算出し、さらに、前記正相成分および逆相成分の大きさと角度を用いて、不平衡を平衡に補正するための三相の不等抵抗値を前記補償インピーダンスとして出力し、前記スイッチングロジックは、前記三相の不等抵抗値に応じて、各相の前記半導体スイッチのゲートスイッチングを不等的に行うことを特徴とするガスタービン発電システムである。

具体的な用語が明細書において及び特許請求の範囲において使用されるが、それらは総称的なものの一例として説明の理解のために使用されるがそれに限定されるものではない。

例えば、三相平衡化回路は、発電機端子の各相の電圧又は電流を検出するセンサで、その位置は発電機端子側で限定するものではなく、系統の変換器側に配置することもできるセンサと、
検出された前記電圧又は電流の不平衡成分を検出し各相に不平衡成分を減衰させる不等分の電圧又は電流を配分するための補償インピーダンスを算出するコントローラと、
前記インピーダンスにて電力消失させる特性を有し、流れる電流に従って電圧変化を引き起こす電圧平衡回路手段で、発電機端子にて各相に接続され、半導体スイッチング装置を含む前記電圧平衡回路手段と、
サイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワー素子により構成され、コンバータと呼ばれる電気エネルギー変換システムに存在してもよい前記半導体スイッチング装置と、
前記電圧平衡回路の構成に応じてスイッチングパターンを決定するスイッチング論理ブロックと、
不平衡成分検出のために前記電圧又は電流センサを前記コントローラに接続する信号線と、
前記コントローラを前記スイッチング論理ブロックに接続する信号線と、
前記スイッチング素子と前記電圧平衡回路間の電気的接続と、を備える。

例えば、タービン発電機に影響する不平衡系統事故を緩和するための前記平衡化方法は、電圧平衡化回路が可変抵抗である場合には、前記算出されたインピーダンス値に応じて可変抵抗を設定するために前記半導体スイッチング装置（例えば、サイリスタ又はＩＧＢＴ）を使用する。

本発明によれば、系統不平衡事故の状態下で機械共振点を励起するタービン回転子の振動を減じることができる。したがって、金属疲労とシャフトクラックの可能性やブレードルートクラックは減じられ、タービン発電機のＦＲＴ性能は改善される。

本発明の好ましい実施例１の説明図である。 実施例１のための発明の概要である。 相aでの可変抵抗器の並列構成である。 逆相成分電流減少を図示した模式図である。 振動減少を図示した模式図である。 実施例２のための発明の概要である。 実施例２のコンバータシステムの構成である。 前記コンバータとなるパワーエレクトロニクスモジュールの詳細な構成である。 実施例２に使用されるコントローラのブロック図である。

以下に本発明の好ましい実施例を説明する。

本実施例において説明されるタービン発電システム１は、ガスタービン発電機４と接続される系統２における系統不平衡事故の影響によるガスタービン３の翼と発電機４の回転子への振動を緩和するために、サイリスタスイッチング装置１０１を用いた可変抵抗器を有する。

図１は、本実施例のタービン発電システム１の実施例１の概要を示す。タービン発電システムの主たる回路は、ガスタービン３、三相発電機４、変圧器６、可変抵抗器１０１からなる。ガスタービン３は、圧縮機により吸入空気を圧縮し且つ圧縮された空気と燃料を混合する。ガスタービン３内の燃焼器は混合気を燃焼し、タービンに膨張力を与える。膨張力により、タービンは回転トルクを得る。圧縮機とタービンは、機械的にシャフトを介して連結され、回転トルクの一部がタービンから圧縮機に供給される。この回転トルクにより、圧縮機は吸入空気を圧縮するための動力を得ることができる。ガスタービン３のシャフトは、発電機４にも機械的に接続され、ガスタービンは、発電機内部の回転子に回転トルクを与える。発電機４は、ガスタービン３からの回転トルクを入力することにより、電力を生成する。発電機４の固定子端子５は、変圧器６の発電機側の端子１０２に電気的に接続され、変圧器６の出力側端子１０６は、系統２側に接続される。生成された電力は、発電機４から変圧器６を介して系統２に送られる。

ここで、本実施例におけるタービン発電システム１の特有な点を説明する。

可変抵抗器１０１は、それぞれ発電機４の固定子端子５に接続され、サイリスタスイッチング装置１０１を用いたものであり（図３参照）、ガスタービン３が受ける系統２の不平衡事故の影響を減じる。これらの可変抵抗器１０１は、発電機の固定子端子５と変圧器６に接続される系統２との間に位置する。

これらの可変抵抗器１０１は、発電機端子５の各相に並列に接続され、それらの抵抗値は、コントローラ１０３の論理ブロック１０３＿ｅにより、サイリスタスイッチをオン、オフすることにより変えることができる。それらのサイリスタの動作は、コントローラ１０３の信号により決定される。

コントローラ１０３は、逆相成分検出部１０３＿ａ、補償インピーダンス計算部１０３＿ｂ、補償インピーダンス算出部１０３＿ｃ、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１０３＿ｄを備える。コントローラ１０３の入力信号は、線間電圧と線電流であり、それらは電圧センサ１０４と電流センサ１０５とでそれぞれ測定される。

電圧センサ１０４と電流センサ１０５は、発電機側の変圧器端子１０２のそれぞれと接続される。

系統側での事故が発生したとき、コントローラ１０３は、各相の電流センサ１０５で検出された電流における平衡成分と不平衡成分を算出する。具体的には、コントローラは、検出電流信号における各相の正相成分と逆相成分を算出する。平衡成分は、正相成分から求まり、不平衡成分は、逆相成分から求まる。したがって、正相成分を算出することは平衡成分を検出することであり、逆相成分を算出することは不平衡成分を検出することである。電流の正相成分と逆相成分は、それぞれの検出部１０３＿ａと１０３＿ｂの計算により検出される。正相成分と逆相成分が検出されると、コントローラ１０３は、計算部１０３＿ｃで不平衡電流を補償するための要求インピーダンスを計算する。補償インピーダンス計算部１０３＿ｃの出力信号に応じて、スイッチング論理ブロック１０３＿ｅは、可変抵抗ブロック１０３におけるサイリスタスイッチを、スイッチング論理ブロック１０３＿ｅで予め決定されたそれらの可変抵抗器の構成に基づき設定する。

コントローラ１０３内部で行われる詳細な計算は、図２により説明される。

図２は、コントローラ１０３と可変抵抗器１０１とのブロック図である。コントローラ１０３は、正相成分検出ブロック１０３＿ｂ、逆相成分検出ブロック１０３＿ａ、位相同期ループ回路１０３＿ｄ、補償インピーダンス計算ブロック１０３＿ｃ、サイリスタスイッチング論理ブロック１０３＿ｅを備える。変圧器の各相検出線電流ｉa、ｉb、ｉc及び、二つの線間電圧ｖaｂ、ｖｂｃは、入力信号として用いられる。

位相同期ループ回路：ＰＬＬブロック１０３＿ｄは、線間電圧ｖab、ｖbcを入力し、発電機側の変圧器端子１０２の電圧の位相角を算出する。具体的には、線間電圧は、相電圧計算器１３０１により相電圧ｖa、ｖb、ｖcに変換される。ＰＬＬブロック１０３＿ｄは、相電圧ｖa、ｖb、ｖcを入力し、位相角θを算出する。ＰＬＬ計算は、この分野で周知であるので、その計算の説明は省略する。

位相角θは、ｓｉｎ−ｃｏｓテーブル１３０３に送られる。ｓｉｎ−ｃｏｓテーブル１３０３は、位相角θに対応するｓｉｎ波形とｃｏｓ波形を出力する。算出された上記正弦曲線波形は、ｄ−ｑブロック１１０２と（ｄ−ｑ）ブロック１２０２とにそれぞれ送られる。それらの波形は、検出電流のｄ−ｑ変換と逆ｄ−ｑ変換を実行するために使用される。

電流ｉa、ｉb、ｉcは、電流センサ１０６から逆相検出ブロック１０３＿ａと正相検出ブロック１０３＿ｂとに入力され、それぞれ正相成分と逆相成分とに変換される。正相成分は、正相検出ブロック１０３＿ｂにより算出され、逆相成分は、逆相検出ブロック１０３＿ａにより算出される。これらの正相電流と逆相電流は、ブロック１０３＿ｃにおける補償インピーダンス算出のために使用される。

ここで、逆相検出ブロック１０３＿ａと正相検出ブロック１０３＿ｂにおける計算を詳述する。

相電流ｉa、ｉb、ｉcは、ブロック１１０１にてα―β変換を用いることにより三相から二相軸に変換される。その計算は、数１式により行われる。α―β軸における二相電流は、数式２の手段によるｄ−ｑ変換１１０２によりｄ−ｑ軸にて正相成分に変換される。相電流が逆相成分又は高調波成分を含むとき、その成分は、変動成分としてｉｄ^＋とｉｑ^＋のなかに表れる。直流ＤＣに変換される正相成分は、移動平均フィルタ１１０３により１電力周波数サイクルの周期Ｔ（sec）に渡り抽出される。これらの正相成分は、大きさと角度に変換される。これは、ブロック１１０４により数式３の計算を実行することにより行われる。ブロック１１０４の出力は、インピーダンス算出ブロック１０３＿ｃにおいて用いられる。

逆相成分は、不平衡事故検出のために逆相検出ブロック１０３＿ａにおいて算出される。三相電流ｉa、ｉb、ｉcは、ブロック１２０１にてα―β変換を用いることにより三相から二相軸に変換される。その計算は、数４式により行われる。α―β軸における二相電流は、数式５の手段による逆ｄ−ｑ変換１１０２によりｄ−ｑ軸にて逆相成分に変換される。正相成分と高調波成分は、変動成分としてｉｄ⁻とｉｑ⁻のなかに表れる。直流ＤＣに変換される逆相成分は、移動平均フィルタ１２０３により１電力周波数サイクルの周期Ｔ（sec）に渡り抽出される。これらの逆相成分は、大きさと角度に変換される。これは、ブロック１２０４により数式６の計算を実行することにより行われる。ブロック１２０４の出力は、インピーダンス算出ブロック１０３＿ｃにて不平衡事故検出のために用いられる。

正相成分と逆相成分の大きさと角度は、ブロック１０３＿ｃにて補償インピーダンス算出のための入力として用いられる。ブロック１１０４からの正相成分とブロック１２０４からの逆相成分の情報は、不平衡を平衡に補正するための挿入抵抗とその抵抗値を決定すべき相がどれであるかを判定するために比較される。これは、ブロック１０３＿ｃにおける予め発電機４の特性と系統２に基づき作成された所定のテーブルをマッチングすることにより行われ、各相の不等電流を消失させることによりガスタービン内部のタービンに影響する不平衡成分事故衝撃を減少するために、ブロック１０３＿ｃは不等抵抗値Ｒ*ａ，Ｒ*ｂ，Ｒ*ｃ出力する。

スイッチング制御ロジック１０３＿ｅにおいて、サイリスタスイッチング装置１０１を用いた可変抵抗器の仕様と構成が予めセットされ、適正なゲートスイッチングが行われる。それらのゲートスイッチングは、各相で不等的に行われ、不平衡抵抗手段により各相に不平衡電流を流し、発電機端子５での三相電流の不平衡成分が減じられる。これにより不平衡電流により引き起こされるタービンロータの衝撃は減じられる。

可変抵抗ブロック１０１は、それぞれ固定子端子５＿ａ，５＿ｂ，,５＿ｃの各相に接続される１０１＿ａ，１０１＿ｂ，１０１＿ｃのような相ａ，相ｂ，相ｃにおける逆並列サイリスタスイッチ付きの並列接続の３グループの抵抗よりなる。それらのグループの抵抗は逆並列サイリスタスイッチを有しており、同一スター構成の同一特性を有している。

図３は、相ａにおける１０１＿ａの可変抵抗の並列構成を示している。本実施例において、スイッチング信号Saのベクトルは、組のサイリスタ１０１＿ａ１，１０１＿ａ２のための二つの点弧信号からなる。スイッチング信号Saは、逆並列サイリスタスイッチ１０１＿ａ１，１０１＿ａ２のスイッチオン、スイッチオフのために用いられる。それらのスイッチの状態に応じて、接続点１０６＿ａからの電流は抵抗１０１＿ａ３，１０１＿ａ４を流れて中点Nに至る。流れる電流量は、並列構成の抵抗の数と組み込まれるサイリスタのスイッチング状態に応じて変えられる。他の相ｂ、ｃも同一構成であり、これらの可変抵抗構成により、三相不平衡電流は発電端子で減少させられることができる。

図４は、本発明の効果を示すためのシミュレーション結果である。不平衡電流を減じるために、抵抗は相ｂと相ｃに挿入される。模式的結果は、本発明を用いないケースと比較される。本発明を使用しないＮｅｇ＿Ａと比較して、Ｎｅｇ＿Ｂは、本発明を使用することにより逆相成分電流を顕著に減じることができる。

本実施例において、電流センサ１０５と電圧センサ１０６は、系統接続変圧器６の発電機側端子に設けられている。ただし、電流センサ１０５と電圧センサ１０４の位置は発電機側１０６に限定されるものではなく、系統側１０６に置いてもよい。これらのセンサ１０４と１０５の位置と構成は、予め設定した１０３＿ｅにおけるテーブルに影響を有しており、したがって、インピーダンス計算ブロック１０３の予め設定したテーブルは、系統側電流と系統側電圧とを整合するデータを有している。

本実施例において、相あたりの可変抵抗の並列接続数は、２つである。ただし、その数は、逆並列サイリスタが各抵抗に接続されているならば、３つ以上でもよい。本実施例において、可変抵抗器の構成は、抵抗器及びサイリスタスイッチ組の並列接続を有している。ただし、図５に示すように、抵抗器の構成は直列接続とすることもできる。

実施例２において、発明となるタービン発電システム１の好ましい構成は、図６を用いて説明される。実施例１に示すタービン発電システムと図６に示すタービンシステムの相違点は、可変抵抗器に代わってコンバータを用いる点であり、コンバータは、発電機４からの出力電流における逆相成分を減少させるための逆相成分を含んでいる電流を出力する。本実施例において、実施例１と同じ構成を示す要素については同一符号により示し、それらの説明は省略される。

ここで、実施例２の特有の点を図により説明する。特有な点は、コンバータシステム２０２は、電流センサ１０５による変圧器端子１０２での電流検出によりコントローラ２０１により制御され、コントローラは、ガスタービンの系統における不平衡事故による衝撃を減じるため、コンバータコントローラ２０１＿ｂでの出力電流指令に補償指令を加えるための逆相成分をブロック２０１＿ａにおいて算出する。コンバータ２０２は、発電機４の固定子端子５と相ごとの発電機側変圧器端子１０２との間に接続点２０２＿１に設けられる。コンバータコントローラは、発電機側端子５に電気的に接続される接続点２０２＿１で逆相成分電流を供給するように、コンバータ２０２を設定する。このコントロールにより、逆相成分電流はコンバータ２０２により系統２に供給され、それによりタービン３における振動を引き起こす発電機４での逆相成分電流を減じることができる。

図７は、コンバータシステム２０２の構成を示し、それは、いわゆるコンバータ２０３であるパワーエレクトロニクスモジュール、コンバータ２０３にDC-リンク端子P,Nで接続されるキャパシタ２０２＿ｄｃ、コンバータ電流ｉ_{ａ＿ｃｏｎｖ}，ｉ_{ｂ＿ｃｏｎｖ}，ｉ_{ｃ＿ｃｏｎｖ}を測定するための電流センサ２０２＿ｓ、直流キャパシタ２０２＿ｄｃを測定するための直流電圧センサ２０２＿ｄｓを備えている。センサ２０２＿Ｓと２０２＿ｄｓの出力は、コンバータコントローラ２０１＿ｂの入力として使用される。上記構成を簡単に説明すると、コントローラ２０１＿ｂは、ブロック２０１＿ａから補償電流指令ｉｎｅｇ＿ｄとｉｎｅｇ＿ｑを入力し、コンバータ２０２のゲート信号を算出する。

コンバータコントローラ２０１＿ｂは、コンバータ２０３内の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）のようなパワーエレクトロニクススイッチのスイッチング動作を行うために、ゲート信号を出力する。

図８はコンバータ２０３としてのパワーエレクトロニクスモジュールの詳細構成を示す。パワーエレクトロニクスモジュール２０３は、電圧形２−レベルインバータの構成を有している。本実施例において、６個のIGBT２０３ｍ，２０３ｎ，２０３ｏ，２０３ｐ，２０３ｑ，２０３ｒを有する２−レベル構成のコンバータが使用される。IGBTのデューティ率を変えることにより、パワーエレクトロニクスモジュール２０３は、後述する適切な制御アルゴリズムにより出力電流ｉａ＿ｃｏｎｖ，ｉｂ＿ｃｏｎｖ，ｉｃ＿ｃｏｎｖを制御することができる。コンバータの構成は２−レベルに限定されず、マルチレベル構成を使用してもよい。発電機端子５での電圧レベルがパワーエレクトロニクススイッチの特性及びコンバータの構成に基づく許容範囲内である場合には、変圧器２０２＿ｔｒの使用は省略することができる。

コントローラにおける計算は図９を用いて説明される。コントローラ２０１は、ａ）直流（DC）リンク電圧安定とｂ）逆相成分電流補償制御の２つの機能を有している。正常運転において、コンバータのDCリンク電圧Ｖｄｃはコンバータコントローラ２０１＿ｂにより安定される。この発明は、逆相成分指令ｉ^＊ _{ｎｅｇ＿ｄ}，ｉ^＊ _{ｎｅｇ＿ｑ}を正常運転指令ｉ^＊ _ｄ，ｉ^＊ _ｑに加えることにより従来型のコンバータコントローラに変更を加えることができる。

コントローラ２０１の入力は、接続点２０２＿１での電流センサ２０２＿ｓにより測定される電流ｉａ＿ｃｏｎｖ，ｉｂ＿ｃｏｎｖ，ｉｃ＿ｃｏｖ、発電機側変圧器１０２の端子での電流センサ１０５により測定された電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃ、電圧センサ２０２＿ｄｓにより測定されたコンバータ２０２でのDC−リンク電圧Ｖｄｃ、電圧センサ１０４により測定された線間電圧ｖａｂ，ｖｂｃである。

コントローラ２０１内の詳細な計算は、図９を用いて説明される。図９は、コントローラ２０１のブロック図であり、逆相成分検出ブロック２０１＿ａ，コンバータコントローラ２０１＿ｂ，位相角計算ブロック１０３＿ｄである。逆相成分検出のブロックにおいて、移動平均ブロック１２０３の出力等、ｄ−ｑ軸における逆相成分は、２つのｄ−ｑ変換１１０２ブロックを使用することにより、正相成分に等しい位相角回転に変換される。これは、第１ｄ−ｑ変換１１０２ブロックは、α―β軸に等しい逆相成分電流を作ることと、第２のｄ−ｑ変換１１０２ブロックは、正相成分が存在しているｄ−ｑ軸に等しい逆相成分電流を作ることを意味する。したがって、逆相成分検出ブロック２０１＿ａの出力ｉ^＊ _{ｎｅｇ＿ｄ}，ｉ^＊ _{ｎｅｇ＿ｑ}を、コンバータコントローラ２０１＿ｂにおいて制御指令ｉ^＊ _ｄ，ｉ^＊ _ｑに加えることができる。本実施例において、ｉ^＊ _ｑはゼロにセットされる。

コンバータコントローラにおいて、キャパシタのｄｃ電圧Ｖ_ｄｃは、比例積分（PI）コンパレータを有し自動電圧レギュレータ（AVR）２１０１により制御される。自動電圧レギュレータは、定格ｄｃ電圧Ｖ^＊ _ｄｃとキャパシタの測定ｄｃ電圧Ｖ_ｄｃ間の差分を計算する引算器２１０２の出力を用いる。AVR２１０１の出力ｉ^＊ _ｄは、ｄ軸における新たな指令電流ｉ^＊ _{ｄ＿ｃｏｎｖ}を作るために、加算器２１０３によりｉ^＊ _{ｎｅｇ＿ｄ}に加えられる。同様に、ｉ^＊ _{ｎｅｇ＿ｑ}は、ｑ軸における新たな指令電流ｉ^＊ _{ｑ＿ｃｏｎｖ}を作るために、加算器２１０３によりｉ^＊ _ｑに加えられる。コンバータシステムの出力電流は、ｄ軸及びｑ軸における上記新たな指令電流にしたがって制御される。ｄ軸及びｑ軸におけるコンバータの出力電流を制御するため、ｉ_{ａ＿ｃｏｎｖ}，ｉ_{ｂ＿ｃｏｎｖ}，ｉ_{ｃ＿ｃｏｎｖ}をｄ−ｑ軸に変換することは、α−β変換ブロック１１０１及びｄ−ｑ変換ブロック１１０２によりそれぞれ行われる。引算器２１０５は、ｄ軸において新たな指令とコンバータの出力電流の差分を計算する。自動電流レギュレータ（ACR）は、比例積分（PI）コンパレータを有し、ｄ軸におけるコンバータの電圧の指令ｖ^＊ _ｄをセットする。このｖ^＊ _ｄは、パルス幅変調器（PWM）２１０８のブロックにおいて三角波発生器２１０７の出力と比較される。PWM技術はこの分野で周知であり、その詳細な説明は省略する。同様に、引算器２１０９は、ｑ軸における新たな指令と出力電流の差分を計算する。ACR２１１０は、ｑ軸におけるコンバータの電圧の指令Ｖ^＊ _ｑをセットする。このＶ^＊ _ｑは、PWMにおける三角波発生器２１０７の出力と比較される。PWMは、変圧器端子１０２＿ａ，１０２＿ｂ，１０２＿ｃに接続されているコンバータシステム２０２のためのゲートスイッチング信号を出力する。コンバータシステム２０２は、逆相成分電流を供給するために調整する。したがって、発電機端子での逆相成分電流は減じられる。これにより、不平衡電流により引き起こされるタービンロータの衝撃は減じられる。

１ 本発明の概要
２ 電力系統
３ ガスタービン
４ 発電機
５ 発電機端子
６ 電力系統と発電機を接続する変圧器
１０１ 可変抵抗
１０１＿ａ 相ａにおける可変抵抗器のグループ
１０１＿ｂ 相ｂにおける可変抵抗器のグループ
１０１＿ｃ 相ｃにおける可変抵抗器のグループ
１０２ 電力系統・発電機接続用の発電機側変圧器端子
１０２＿ａ 発電機側変圧器端子の相ａ
１０２＿ｂ 発電機側変圧器端子の相ｂ
１０２＿ｃ 発電機側変圧器端子の相ｃ
１０３ 不平衡事故コントローラ
１０３＿ａ 逆相成分検出
１０３＿ｂ 逆相成分検出
１０３＿ｃ 補償インピーダンス計算
１０３＿ｄ 位相同期ループ回路（PLL）
１０３＿ｅ パワーエレクトロニクススイッチング装置
１０４ 電圧センサ
１０５ 電流センサ
１０６ 電力系統・発電機接続用の系統側変圧器端子
１１０１ 正相成分のためａｂｃをα―βに変換
１１０２ 正相成分のためα―βをｄ−ｑに変換
１１０３ 正相成分の移動平均フィルタ
１１０４ 正相成分のためｄ−ｑを大きさ及び角度に変換
１２０１ 逆相成分のためａｂｃをα―βに変換
１２０２ 逆相成分のためα―βをｄ−ｑに変換
１２０３ 逆相成分の移動平均フィルタ
１２０４ 逆相成分のためｄ−ｑを大きさ及び角度に変換
１３０１ 線間電圧の相電圧変換
１３０３ サインθ、コサインθテーブル
２０１ 実施例２のコントローラ
２０１＿ａ 逆相成分検出
２０１＿ｂ コンバータコントローラ
２０２ コンバータシステム
２０２＿１ コンバータシステムの電力系統接続・
２０２＿ｔｒ コンバータシステムの変圧器
２０２＿ｓ コンバータシステムの電流センサ
２０２＿ｄｓ コンバータシステムの直流電圧センサ
２０２＿ｄｃ コンバータのための直流キャパシタ
２０３ コンバータ
２１０１ 自動電圧レギュレータ（AVR）
２１０２ 計算プロセッサ
２１０３ 計算プロセッサ
２１０４ 計算プロセッサ
２１０５ 計算プロセッサ
２１０６ ｄ軸電流のための自動電流レギュレータ（ACR）
２１０７ PWMのための三角波発生器
２１０８ パルス幅変調器（PWM）
２１０９ 計算プロセッサ
２１１０ ｑ軸電流のための自動電流レギュレータ（ACR）

Claims (3)

1. ロータがガスタービンと機械的に結合する三相交流発電機を有するガスタービン発電システムにおいて、
   前記三相交流発電機と接続される電力系統に不平衡事故が生じた時に三相交流電流の不平衡成分を消失或いは打ち消し三相電圧を平衡化するために相ごとに独立して動作可能な可変抵抗器を有する三相電圧平衡化回路を備え、前記三相電圧平衡化回路により、前記不平衡事故に起因する回転子のトルク振動を抑制して翼の機械的共振を回避する共振回避機構を構成し、
   前記可変抵抗器は、半導体スイッチと複数の抵抗を備え、前記複数の抵抗の内の並列または直列構成の抵抗数と前記半導体スイッチのスイッチング状態に応じて、流れる電流量が変えられるように構成され、
   前記三相電圧平衡化回路は、
   前記不平衡成分を減じるための補償インピーダンスに応じて前記半導体スイッチのゲートスイッチングを行うスイッチングロジックと、
   タービン発電機端子又は発電機の電力系統中継用の変圧器側の電力系統側端子に接続されて、発電機の出力電流を検出する電流センサおよび発電機の出力電圧を検出する電圧センサと、
   前記電流センサおよび前記電圧センサに接続され、前記電流センサによって検出される前記出力電流および前記電圧センサによって検出される前記出力電圧に基づいて、前記スイッチングロジックへ出力する前記補償インピーダンスを算出するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、三相システムからの不平衡成分の変換を用いることにより、前記電流センサによって検出される前記出力電流の正相成分および逆相成分の大きさと角度を算出し、さらに、前記正相成分および逆相成分の大きさと角度を用いて、不平衡を平衡に補正するための三相の不等抵抗値を前記補償インピーダンスとして出力し、
   前記スイッチングロジックは、前記三相の不等抵抗値に応じて、各相の前記半導体スイッチのゲートスイッチングを不等的に行うことを特徴とするガスタービン発電システム。
2. 請求項１に記載のガスタービン発電システムにおいて、
   前記コントローラは、前記三相交流発電機とそれに接続された前記電力系統の特性を有する参照用テーブルに基づき、前記補償インピーダンスを算出することを特徴とするガスタービン発電機。
3. 請求項１に記載のガスタービン発電システムにおいて、
   前記半導体スイッチは逆並列サイリスタスイッチであることを特徴とするガスタービン発電システム。

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