JP6495627B2 - 障害ライドスルー能力を有する発電システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には電気エネルギー変換に関し、より具体的には、送電網に接続される低い慣性モーメントを有する小規模発電設備の障害ライドスルー能力のためのシステムおよび方法に関する。

従来の電力システムでは、電力の大部分は、例えば化石燃料（石炭、ガスで動く）、原子力、または水力発電所などの大きな集中化した設備で発電される。これらの従来の発電所は、優れた規模の経済を有するが、通常、長い距離を送電し、環境に影響を及ぼすおそれがある。分散型エネルギー資源（ＤＥＲ）システムは、従来の電力システムに対する代替物またはその強化を提供するために用いられる小規模発電設備（典型的には３ｋＷから１０，０００ｋＷまで）である。例えば、小規模発電設備は、小型ガスエンジン、ディーゼルエンジン、および／または風力タービンによって駆動することができる。ＤＥＲシステムは、電気を使用する場所のごく近くで発電するので、送電する際に失われるエネルギー量を低減する。またＤＥＲシステムは、構築しなければならない送電線のサイズおよび数を低減する。しかし、小規模発電設備を用いる分散型発電に向かう傾向が増加したので、多くの送電網規則は、障害電圧ライドスルーなどの拡張能力を提供することを小規模発電設備に義務づけている。

電力システムの障害が発生すると、障害が取り除かれるまで、システムの電圧は短い時間（典型的には５００ミリ秒未満）に重大な量だけ低下するおそれがある。接地に接続されている少なくとも１つの相導体によって（接地障害）、または、２つまたは複数の相導体の短絡によって、障害が生じる可能性がある。このタイプの障害は、落雷および暴風の際に、または、事故により接地に接続されている送電線によって生じる可能性がある。障害は結果として重大な電圧降下事象をもたらすことがあり得る。過去において、これらの不注意による障害および大電力外乱状況の下で、電圧降下が発生するときはいつでも、オフラインにすることが小規模発電設備にとっては許容され望ましいものであった。小規模発電設備の普及レベルが低い場合には、このような動作は電力供給に実際の有害な影響を与えない。しかし、電力システムにおける小規模発電設備の普及が増加するにつれて、これらの小規模発電設備がオンライン状態に留まり、このような低電圧状態を乗り切って、送電網と同期した状態を保ち、障害が取り除かれた後に送電網に電力を供給し続けることができることが望ましい。これは大規模発電設備に適用される要件と同様である。

したがって、上述の問題に対処する方法およびシステムを決定することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１２／０１７５８７６号明細書

本技術の実施形態に従って、発電システムを提供する。発電システムは、電力を生成するためにエンジンに機械的に結合される発電機を含む。また発電システムは、発電機と送電網との間に接続される障害ライドスルーシステムを含む。障害ライドスルーシステムは、固体スイッチと並列に接続される機械的スイッチと、機械的スイッチ、固体スイッチ、およびエンジンの点火を協調して制御するためのコントローラと、を含む。

本技術の別の実施形態に従って、発電システムから送電網に電力を供給する方法を提供する。発電システムは発電機と送電網との間に接続される障害ライドスルーシステムを含み、障害ライドスルーシステムは固体スイッチと並列に接続される機械的スイッチを含む。本方法は、障害が検出された場合には機械的スイッチを開くように、障害が所定時間の前に取り除かれた場合には機械的スイッチを閉じるように、機械的スイッチを制御するステップと、機械的スイッチが開いた後に、固体スイッチを介して発電機電流のためのバイパス経路を提供するステップと、を含む。また本方法は、発電機に結合されるエンジンの点火を固体スイッチングと協調して制御するステップを含む。

本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

障害の直前、その間、およびその直後の送電網規則に規定された電圧プロファイルのプロットである。 送電網に接続され、本開示の態様による障害ライドスルーシステムを用いる発電システムのダイアグラム表現である。 本開示の態様による障害ライドスルー動作の１つの段階のダイアグラム表現である。 本開示の態様による障害ライドスルー動作の１つの段階のダイアグラム表現である。 本開示の態様による障害ライドスルー動作の１つの段階のダイアグラム表現である。 本開示の態様による障害ライドスルー動作の１つの段階のダイアグラム表現である。 本開示の態様による障害ライドスルー動作の１つの段階のダイアグラム表現である。

以下に詳細に述べるように、本発明の実施形態は、送電網に接続される低い慣性モーメントを有する小規模発電設備の障害ライドスルー能力のためのシステムおよび方法を提供するように機能する。

図１は、発電機の送電網への接続点（ＰＯＣ）における送電網規則による電圧プロファイルの一例のプロット１０を示す。送電網当局のいくつかは、ＰＯＣにおける電圧が図示する電圧プロファイルより高い場合には、発電機を送電網から切り離してはいけないことを期待している。しかし、これは１つの典型的なケースであって、電圧プロファイル要件は国によって異なり、あるいは送電網当局によっても異なる。プロット１０は、ミリ秒で時間を表す横軸１２、および公称電圧の百分率で電圧を表す縦軸１４を示す。障害は０ミリ秒に発生する。障害が発生する前には、システムは安定状態にあるから、ＰＯＣにおける障害前の電圧１６すなわち０ミリ秒以前の電圧は単位当り１００％または１である。送電網の障害によって、０ミリ秒における電圧１８は障害の開始において５％まで降下する。ＰＯＣにおける電圧降下は障害からＰＯＣまでの距離、障害インピーダンス、障害のタイプ、および送電網特性などに依存することに留意すべきである。一実施形態では、電圧が５％より低くなる可能性があり、あるいは別の実施形態では、電圧が５％より高くなる可能性がある。

電圧が図１に示すレベルに低下すると、低電圧状態の間には、発電機が全出力を送電網に送出することができなくなり得る。同時に原動機が一定の機械的動力を発電機に供給し続ける場合には、これは結果としてエンジン−発電機の回転質量の加速を生じさせてロータ速度が増加する。ロータ速度の増加は同期発電機のロータ角度の過剰な増加をもたらし、それは結果として脱調を生じさせるおそれがある。したがって、発電機を取り外すことになり、送電網規則の要件を満たさない。

図２は、本発明の一実施形態による障害ライドスルーシステム４６を用いる送電網４４に接続される発電システム４０を示す。発電システム４０は、原動機６０および送電網４４に接続される発電機４２を含む。一実施形態では、発電機４２は例えば１０ＭＷ未満の小規模電力定格である。さらに、発電機は原動機６０に機械的に結合され、原動機６０はタービンまたはエンジンであってもよい。一実施形態では、エンジン６０はガスタービンまたはガスエンジンまたは風力タービンを含む。いくつかの実施形態では、発電機４２は電力電子コンバータ（図示せず）を通して送電網４４に結合され、他の実施形態では、発電機４２は電力電子コンバータを用いずに送電網４４に結合される。発電機４２は、障害ライドスルーシステム４６、トランス４８、および送電線５０を介して送電網４４に接続される。図２に示す配置は単に例示するためのものにすぎず、別の実施形態では、障害ライドスルーシステム４６がトランス４８と送電網４４との間に接続されてもよい点に留意すべきである。図２は、説明を容易にするために送電網システムの単線図を示している点に留意すべきである。障害ライドスルーシステム４６は、固体スイッチ５２、機械的スイッチ５４、およびコントローラ５６を含む。障害ライドスルーシステム４６は発電機４２と直列に接続されるが、固体スイッチ５２および機械的スイッチ５４は互いに並列に接続される。一実施形態では、固体スイッチ５２は、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、または交流用トライオード（ＴＲＩＡＣ）を含んでもよい。コントローラ５６は、入力信号５８を受け取り、固体スイッチ５２、機械的スイッチ５４、およびエンジン６０に制御信号を提供する。一実施形態では、入力信号５８は、電圧信号または電流信号または発電機電力信号または速度信号またはロータ角度信号またはエンジン出力またはエンジントルクまたはこれらの任意の組み合わせを含む。コントローラは、システムに障害が発生したか否かを決定するために入力信号を用い、障害の事象においてエンジン６０、固体スイッチ５２、および機械的スイッチ５４の動作を制御するために制御信号を提供する。

動作中には、通常状態では機械的スイッチ５４は導通状態またはオン状態であるが、固体スイッチ５２は非導通状態またはオフ状態である。送電網の障害が接続点６２に近い位置である場合には、発電機の接続点６２における電圧は著しく降下する。ＰＯＣの低電圧状態がしきい値時間の間継続する場合には、発電機ロータと送電網との間の大きな角度のために、発電機４２に極めて高い電流が流れるおそれがある。したがって、発電機はこれらの高電流からそれ自体を保護するために送電網から遮断する。また、発電機ロータと送電網との間の角度が大きくなることにより、発電機と送電網との間の脱調が生じるおそれがあり、それによっても発電機を送電網から遮断することが必要になる。しかし、送電網規則の障害ライドスルー要件を満たすためには、発電機は送電網に接続された状態に留まり、障害が取り除かれてＰＯＣの電圧が障害前のレベルに回復した後には送電網に電力を供給し続けることが可能でなければならない。言い換えれば、障害状態の間に、ＰＯＣの電圧が送電網規則により与えられた電圧プロファイルを上回る限り、発電機速度およびロータ角度は許容限度内に留まらなければならない。

送電網の障害事象によるＰＯＣの電圧降下がコントローラ５６によって検出された場合には、ＰＯＣの低電圧状態の間に発電機が送電網に供給できる電力は限られるので、コントローラ５６は、発電機４２が加速しないようにまたは発電機４２を停止するために、発電機４２に接続されるエンジン６０が動力を低減するようにトリガーする（例えば、部分的または完全にエンジン点火のスイッチを切る）。障害が所定時間内に取り除かれず、発電機が停止に至った場合には、発電機４２を送電網４４から遮断する必要があり、そうしなければ、発電機ロータと送電網との間の大きな角度のために、発電機４２に極めて高い電流が流れるおそれがある。一実施形態では、所定時間は送電網規則の要件に基づいてオペレータによって決定され、一般的には障害電圧ライドスルーに必要とされる最大の時間である。機械的スイッチ５４は、それが開いて発電機４２を送電網４４から遮断することができる前に遮断時間を必要とする。したがって、コントローラ５６は、所定時間の前に機械的スイッチ５４の開放（すなわちオフ状態）をトリガーする。一実施形態では、所定時間より機械的スイッチ５４の遮断時間以上前に開くように機械的スイッチ５４がトリガーされる。例えば、機械的スイッチ５４の遮断時間が７０ｍｓｅｃであり、所定時間が１５０ｍｓｅｃであると仮定すると、機械的スイッチ５４は８０ｍｓｅｃの時点で、またはそれより前に開くようにトリガーされる。したがって、所定時間（１５０ｍｓｅｃ）においては、機械的スイッチ５４は完全にオフになり、発電機４２と送電網４４との間にいかなる接続も提供することができない。しかし、固体スイッチ５２は、機械的スイッチ５４より速くオンすることができ、機械的スイッチ５４が開くより前に導通するようにトリガーされ、そのようにして発電機４２と送電網４４との間の電力潮流のための接続またはバイパス経路を提供する。一実施形態では、固体スイッチのスイッチオンおよびスイッチオフ時間は、使用する固体スイッチのタイプによるが、２、３μｓｅｃから約２０ｍｓｅｃまでの範囲であり得る。例えば、前例では、固体スイッチ５２は１３０ｍｓｅｃの時点で、またはそれより前にオンするようにトリガーされるので、機械的スイッチ５４が開くより前に固体スイッチ５２は電流を導通し始める。固体スイッチ５２の実際の投入時間と機械的スイッチ５４の実際の開放時間との間の特定の時間バッファが、スイッチのジッターによる回路の開放を回避するために考慮される。

コントローラ５６が、障害が所定時間内に取り除かれ、発電機が送電網に電力を供給できる許容可能なレベルにＰＯＣの電圧が回復したと決定すれば、エンジン点火が部分的または完全にオフしたままであれば再びスイッチが入り、機械的スイッチ５４がオンするようにトリガーされる。一旦、機械的スイッチ５４が完全にオンになると、固体スイッチ５２が開放され、このようにして通常動作または障害前の状態が回復される。しかし、障害が所定時間内に取り除かれない場合には、エンジン６０、機械的スイッチ５４、および固体スイッチ５２はオフになり、最終的に発電機４２によって送電網４４に供給される電力はなくなる。

図３（ａ）〜図３（ｅ）は、本開示の態様による障害ライドスルー動作の様々な段階を示す。図３（ａ）は、機械的スイッチ５４だけが導通し、固体スイッチ５２は導通していない通常状態または障害のない状態（ｔ＜０）を示す。この段階では、発電機電流７０は機械的スイッチ５４だけを流れ、固体スイッチ５２には流れない。ｔ＝０（図３（ｂ））で障害事象が送電網で発生し、ｔ＝２０ｍｓ（図３（ｃ））で障害事象が障害ライドスルーシステムによって検出される。一実施形態では、障害事象は、電圧信号、電流信号、速度信号、電力信号、トルク信号、もしくはロータ角度信号、またはこれらの任意の組み合わせに基づいて検出することができる。図３（ｂ）および図３（ｃ）から分かるように、これらの段階では、制御動作が開始されていないので、発電機電流７０は依然として機械的スイッチ５４を流れる。ここに示すタイミング（すなわち、ｔ＝０、２０、１２０ｍｓなど）は単に例示するためのものにすぎず、他の実施形態では、タイミングはシステムおよび制御パラメータに基づいてもよい点に留意すべきである。さらにまた、障害事象が障害ライドスルーシステムによって検出されるｔ＝２０ｍｓでは、発電機エンジンの点火を部分的または完全にオフするために、第１の制御信号が発電機エンジンに送られる。同時に、または、しばらくして、機械的スイッチ５４を開くために、第２の制御信号が機械的スイッチ５４に送られる。固体スイッチ５２のスイッチオン時間は、機械的スイッチ５４のスイッチオフ時間と比較して非常に短いので、固体スイッチ５２をオンするための第３の制御信号は、ｔ＝２０ｍｓで、またはいくらか遅れて送られてもよい。固体スイッチ５２の実際の投入時間と機械的スイッチ５４の実際の開放時間との間の特定の時間バッファが、スイッチのジッターによる回路の開放を回避するために考慮される。過渡的期間では、発電機電流７０が固体スイッチ５２および機械的スイッチ５４の両方を流れてもよい。機械的スイッチ５４がオフになり、固体スイッチ５２がオンになると、発電機電流７０は固体スイッチ５２だけを流れ、機械的スイッチ５４には流れない。

障害が所定時間内に、例えばｔ＝１２０ｍｓ（図３（ｄ））で取り除かれ、発電機が送電網に電力を供給できる許容可能なレベルにＰＯＣの電圧が回復した場合には、エンジン点火が部分的または完全にオフしたままであれば再びスイッチが入り障害前の電力レベルに戻り、機械的スイッチ５４がオンするようにトリガーされる。機械的スイッチ５４がオン状態になると、固体スイッチ５２はコントローラ５６によってオフ位置に置かれ、障害ライドスルーシステム４６を障害事象の前の通常状態における初期状態に戻す。

障害が所定時間内に、例えばｔ＝１５０ｍｓ（図３（ｅ））で取り除かれず、ＰＯＣの電圧が送電網規則によって与えられた電圧プロファイルより低い場合には、エンジン点火は完全にオフするようにトリガーされ、固体スイッチ５２はオフになり、結果として機械的スイッチ５４および固体スイッチ５２の両方が非導通状態になる。このようにして発電機は送電網４４から素早く遮断され、最終的に発電機４２によって送電網４４に供給される電力はなくなる。

本技術の利点の１つは、所定時間の終わりに障害が取り除かれていない場合には、発電機を直ちに送電網から遮断することができることである。例えば、機械的スイッチだけを用いる従来の技術では、機械的スイッチは所定時間（例えばｔ＝１５０ｍｓ）まで閉位置にあり、障害が所定時間内に取り除かれない場合には機械的スイッチがｔ＝１５０ｍｓで開くようにトリガーされる。しかし、機械的スイッチが完全に開くために、最小限の遮断時間（例えば７０ｍｓ）がかかることがあり得る。たとえエンジン点火がオフされたとしても、これは結果として、発電機ロータと送電網との間の大きな角度による極めて高い電流が発電機に流れることになる。これに対して、本技術では、著しく短いターンオフ時間（２、３μｓｅｃから約２０ｍｓまで）を有する固体スイッチが機械的スイッチと並列に接続されるために、図３（ｅ）で述べたように固体スイッチが送電網から発電機を素早く遮断することができ、発電機に極めて高い電流が流れるのを防止することができる。

本発明の特定の特徴だけを本明細書に図示し記載しているが、多くの改変および変形が当業者に想到されるであろう。したがって、添付した特許請求の範囲は、本発明の真の要旨に含まれるこのような全ての改変および変形を包含することを意図していると理解すべきである。

１０ 例示的な送電網規則による電圧プロファイルのプロット
１２ 横軸
１４ 縦軸
１６ 障害前の電圧
１８ 障害時の電圧
４０ 発電システム
４２ 発電機
４４ 送電網
４６ 障害ライドスルーシステム
４８ トランス
５０ 送電線
５２ 固体スイッチ
５４ 機械的スイッチ
５６ コントローラ
５８ 入力信号
６０ 原動機／エンジン
６２ 接続点（ＰＯＣ）
７０ 発電機電流

Claims (20)

1. 発電システム（４０）であって、
   電力を生成するためにエンジン（６０）に機械的に結合される発電機（４２）と、
   前記発電機（４２）と送電網（４４）との間に接続される障害ライドスルーシステム（４６）と、を含み、
   前記障害ライドスルーシステム（４６）は、
   固体スイッチ（５２）と並列に接続される機械的スイッチ（５４）と、
   前記機械的スイッチ（５４）、前記固体スイッチ（５２）、および前記エンジン（６０）の点火を協調して制御するためのコントローラ（５６）と、を含み、
   前記コントローラ（５６）は、前記送電網（４４）の送電障害状態が所定時間の前に取り除かれた場合には、前記機械的スイッチ（５４）をオンにし、前記固体スイッチ（５２）をオフにするように構成される、システム（４０）。
2. 前記エンジン（６０）は、ガスタービンまたはガスエンジンまたは風力タービンを含む、請求項１に記載のシステム（４０）。
3. 前記コントローラ（５６）は、前記エンジン（６０）の前記点火を制御するための第１の制御信号と、前記機械的スイッチ（５４）を制御するための第２の制御信号と、前記固体スイッチ（５２）を制御するための第３の制御信号と、を生成するように構成される、請求項１または２に記載のシステム（４０）。
4. 前記コントローラ（５６）は、送電網（４４）の送電網障害状態が検出されたときに前記エンジン（６０）の前記点火のスイッチを部分的にまたは完全にオフにするための前記第１の制御信号を生成するように構成される、請求項３に記載のシステム（４０）。
5. 前記コントローラ（５６）は、前記送電網障害状態が検出されたときに前記機械的スイッチ（５４）を開くための前記第２の制御信号と、前記機械的スイッチ（５４）が開いているときのバイパス経路を提供するために、前記機械的スイッチ（５４）が開かれる前に前記固体スイッチ（５２）を閉じるための前記第３の制御信号と、を生成するように構成される、請求項４に記載のシステム（４０）。
6. 前記固体スイッチ（５２）のスイッチオン時間は、前記機械的スイッチ（５４）のスイッチオフ時間と比較して短い、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（４０）。
7. 前記コントローラ（５６）は、前記送電障害状態が前記所定時間の後に取り除かれず、かつ、前記発電機（４２）が停止に至る場合には、前記機械的スイッチ（５４）および前記固体スイッチ（５２）を非導通状態に保つように構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム（４０）。
8. 前記コントローラ（５６）は、入力信号（５８）に基づいて前記送電網（４４）の送電障害状態を検出するように構成される、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム（４０）。
9. 前記コントローラ（５６）は、前記入力信号（５８）に基づいて前記エンジン点火を制御する、請求項８に記載のシステム（４０）。
10. 前記入力信号（５８）は、電圧信号または電流信号または発電機電力信号または速度信号またはロータ角度信号またはエンジン出力またはエンジントルクまたはこれらの任意の組み合わせのうちの１つを含む、請求項９に記載のシステム（４０）。
11. 前記固体スイッチ（５２）は、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、または交流用トライオード（ＴＲＩＡＣ）を含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム（４０）。
12. 発電機（４２）と送電網（４４）との間に接続される障害ライドスルーシステム（４６）を含む発電システム（４０）から前記送電網（４４）に電力を供給する方法であって、
    前記障害ライドスルーシステム（４６）は、固体スイッチ（５２）と並列に接続される機械的スイッチ（５４）を含み、
    前記方法は、
    障害が検出された場合には前記機械的スイッチ（５４）を開くように、前記障害が所定時間の前に取り除かれた場合には前記機械的スイッチ（５４）を閉じ、前記固体スイッチ（５２）を開くように、前記機械的スイッチ（５４）と前記固体スイッチ（５２）とを制御するステップと、
    前記機械的スイッチ（５４）が開いた後に、前記固体スイッチ（５２）を介して発電機電流（７０）のためのバイパス経路を提供するステップと、
    前記発電機（４２）に結合されるエンジン（６０）の点火を前記固体スイッチ（５２）と協調して制御するステップと、を含む方法。
13. 前記エンジン（６０）は、ガスタービンまたはガスエンジンまたは風力タービンを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記障害が検出された場合に、指定時間の間、前記エンジン（６０）の前記点火のスイッチを部分的にまたは完全にオフにするステップをさらに含む、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記固体スイッチ（５２）のスイッチオン時間は、前記機械的スイッチ（５４）のスイッチオフ時間と比較して短い、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記障害状態が前記所定時間の後に取り除かれず、かつ、前記発電機（４２）が停止に至る場合には、前記機械的スイッチ（５４）および前記固体スイッチ（５２）をオフにするステップをさらに含む、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記障害は、入力信号（５８）に基づいて検出される、請求項１２乃至１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記エンジン点火は、前記入力信号（５８）に基づいて制御される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記入力信号（５８）は、電圧信号または電流信号または発電機電力信号または速度信号またはロータ角度信号またはエンジン出力またはエンジントルクまたはこれらの任意の組み合わせのうちの１つを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記固体スイッチ（５２）は、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、または交流用トライオード（ＴＲＩＡＣ）を含む、請求項１２乃至１９のいずれかに記載の方法。