(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電機（１４）および複数の局所電気系統（１２）を備える発電機ネットワーク（１０）であって、各局所電気系統（１０）は発電機（１４）を有し、前記局所電気系統（１２）のうちの少なくとも１つの局所電気系統は、電源喪失検出リレーの検出不能ゾーンを回避するためのコントローラ（３４）を有し、前記電源喪失検出リレーは、周波数の変化率検出リレーであり、各発電機（１４）は、制御ユニット（２８）を有し、前記制御ユニット（２８）は、無効電力制御機構（３０）を有し、前記無効電力制御機構（３０）は、ドループ・コントローラを有し、前記無効電力制御機構（３０）は、意図しないアイランド化の事象が生じた場合に、不安定になるように構成され、前記コントローラ（３４）は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への有効電力フロー（ＰＮｅｔ）を監視するように構成され、前記コントローラ（３４）は、前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統の消費電力と前記それぞれの発電機（１４）との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の絶対値が第１の所定の値（Ｐｔ）を下回るかどうかを決定するように構成され、前記コントローラ（３４）が、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の前記絶対値が前記第１の所定の値（Ｐｔ）を下回ることを決定すると、その場合には前記コントローラ（３４）は、前記発電機ネットワークから前記局所電気系統のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フロー（ＱＮｅｔ）を監視するように構成され、前記コントローラ（３４）は、前記局所電気系統（１２）の前記有効および無効消費電力と前記それぞれの発電機（１４）によって生成される前記有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の絶対値が第２の所定の値（Ｑｔ）を下回るかどうかを決定するように構成され、前記コントローラ（３４）が、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の前記絶対値が前記第２の所定の値（Ｑｔ）を下回ることを決定すると、その場合には前記コントローラ（３４）は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フローが前記第２の所定の値（Ｑｔ）を加算または減算した絶対値を有するように、前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統の前記発電機（１４）からの目標無効電力出力（ＱＧｅｎ−Ｔａｒｇｅｔ）を調整するように構成される発電機ネットワーク。
【請求項２】
前記コントローラ（３４）は、前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統の局所有効電力需要が、前記それぞれの発電機（１４）の有効発電目標値と一致するように構成される請求項１に記載の発電ネットワーク。
【請求項３】
複数の前記局所電気系統（１２）は前記電源喪失検出リレーの前記検出不能ゾーンを回避するためのコントローラ（３４）を有する請求項１または２に記載の発電ネットワーク。
【請求項４】
すべての前記局所電気系統（１２）は前記電源喪失検出リレーの前記検出不能ゾーンを回避するためのコントローラ（３４）を有する請求項３に記載の発電ネットワーク。
【請求項５】
前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統は、前記発電ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）を測定するためのセンサー（３６）を有し、前記センサー（３６）は前記測定値を前記コントローラ（３４）に送信するように構成される請求項１から４のいずれかに記載の発電ネットワーク。
【請求項６】
前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統は、局所負荷無効電力需要（ＱＬＯＡＤ）を測定するためのセンサー（３８）を有し、前記センサー（３８）は前記測定値を前記コントローラ（３４）に送信するように構成され、前記コントローラ（３４）は前記測定された局所負荷無効電力需要（ＱＬＯＡＤ）から標準発電機出力目標値（ＱＧｅｎ−Ｔａｒｇｅｔ）を減算することにより前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）を計算する請求項１から５のいずれかに記載の発電ネットワーク。
【請求項７】
前記発電機ネットワーク（１０）は、常時サービス提供中に少なくとも１０ＧＶＡの電流発電を有し、前記電源喪失検出リレーは約０．２Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、前記第１の所定の値（Ｐｔ）および前記第２の所定の値（Ｑｔ）は０．０５ｐｕに設定され、有効電力に対する前記局所発電機（１４）周波数ドループは５％であり、無効電力に対する前記局所発電機（１４）電圧ドループは１０％である請求項１から６のいずれかに記載の発電機ネットワーク。
【請求項８】
前記発電機ネットワーク（１０）は、常時サービス提供中に少なくとも１ＭＶＡの電流発電を有し、前記電源喪失検出リレーは約０．５Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、第１の所定の値および（Ｐｔ）前記第２の所定の値（Ｑｔ）は０．１ｐｕに設定され、有効電力に対する前記局所発電機（１４）周波数ドループは５％であり、無効電力に対する前記局所発電機（１４）電圧ドループは１０％である請求項１から６のいずれかに記載の発電機ネットワーク。
【請求項９】
発電機（１４）を有する局所電気系統（１２）であって、前記局所電気系統（１２）は発電機ネットワーク（１０）に接続され、前記局所電気系統（１２）は、電源喪失リレーの検出不能ゾーンを回避するためのコントローラ（３４）を有し、前記電源喪失検出リレーは、周波数の変化率検出リレーであり、各発電機（１４）は、制御ユニット（２８）を有し、前記制御ユニット（２８）は、無効電力制御機構（３０）を有し、前記無効電力制御機構（３０）は、ドループ・コントローラを有し、前記無効電力制御機構（３０）は、意図しないアイランド化の事象が生じた場合に、不安定になるように構成され、前記コントローラ（３４）は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への有効電力フロー（ＰＮｅｔ）を監視するように構成され、前記コントローラ（３４）は、前記局所電気系統（１２）の消費電力と前記発電機（１４）との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の絶対値が第１の所定の値（Ｐｔ）を下回るかどうかを決定するように構成され、前記コントローラ（３４）が、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の前記絶対値が前記第１の所定の値（Ｐｔ）を下回ることを決定すると、その場合には前記コントローラ（３４）は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への無効電力フロー（ＱＮｅｔ）を監視するように構成され、前記コントローラ（３４）は、前記局所電気系統（１２）の前記有効および無効消費電力と前記発電機（１４）によって生成される前記有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の絶対値が第２の所定の値（Ｑｔ）を下回るかどうかを決定するように構成され、前記コントローラ（３４）が、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の前記絶対値が前記第２の所定の値（Ｑｔ）を下回ることを決定すると、その場合には前記コントローラ（３４）は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フローが前記第２の所定の値（Ｑｔ）を加算または減算した絶対値を有するように、前記局所電気系統（１２）の前記発電機（１４）からの目標無効電力出力（ＱＧｅｎ−Ｔａｒｇｅｔ）を調整するように構成される局所電気系統。
【請求項１０】
前記コントローラ（３４）は、前記局所電気系統（１２）の前記局所有効電力需要が、前記それぞれの発電機（１４）の有効発電目標値と一致するように構成される請求項９に記載の局所電気系統。
【請求項１１】
前記局所電気系統（１２）は、前記発電ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）を測定するためのセンサー（３６）を有し、前記センサー（３６）は前記測定値を前記コントローラ（３４）に送信するように構成される請求項９または１０に記載の局所電気系統。
【請求項１２】
前記局所電気系統（１２）は、前記局所負荷無効電力需要（ＱＬＯＡＤ）を測定するためのセンサー（３８）を有し、前記センサー（３８）は前記測定値を前記コントローラ（３４０に送信するように構成され、前記コントローラ（３４）は前記測定された局所負荷無効電力需要（ＱＬＯＡＤ）から標準発電機出力目標値（ＱＧｅｎ−Ｔａｒｇｅｔ）を減算することにより前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）を計算する請求項９から１１のいずれかに記載の局所電気系統。
【請求項１３】
前記発電機ネットワーク（１０）は、常時サービス提供中に少なくとも１０ＧＶＡの電流発電を有し、前記電源喪失検出リレーは約０．２Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、前記第１の所定の値（Ｐｔ）および前記第２の所定の値（Ｑｔ）は０．０５ｐｕに設定され、有効電力に対する前記局所発電機（１４）周波数ドループは５％であり、無効電力に対する前記局所発電機（１４）電圧ドループは１０％である請求項９から１２のいずれかに記載の局所電気系統。
【請求項１４】
前記発電機ネットワーク（１０）は、常時サービス提供中に少なくとも１ＭＶＡの電流発電を有し、前記電源喪失検出リレーは約０．５Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、前記第１の所定の値（Ｐｔ）および前記第２の所定の値（Ｑｔ）は０．１ｐｕに設定され、有効電力に対する前記局所発電機（１４０周波数ドループは５％であり、無効電力に対する前記局所発電機（１４）電圧ドループは１０％である請求項９から１２のいずれかに記載の局所電気系統。
【請求項１５】
発電機ネットワーク（１０）において電源喪失リレーの検出不能ゾーンを回避する方法であって、複数の発電機（１４）および複数の局所電気系統（１２）を備え、各局所電気系統（１０）は発電機（１４）を有し、前記電源喪失検出リレーは、周波数の変化率検出リレーであり、各発電機（１４）は、制御ユニット（２８）を有し、前記制御ユニット（２８）は、無効電力制御機構（３０）を有し、前記無効電力制御機構（３０）は、ドループ・コントローラを有し、前記無効電力制御機構（３０）は、意図しないアイランド化の事象が生じた場合に、不安定になるように構成され、前記方法は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの少なくとも１つの局所電気系統への有効電力フロー（ＰＮｅｔ）を監視することと、前記局所電気系統（１２）のうちの少なくとも１つの局所電気系統の消費電力と前記それぞれの発電機（１４）との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の絶対値が第１の所定の値（Ｐｔ）を下回るかどうかを決定することとを備え、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の前記絶対値が前記第１の所定の値（Ｐｔ）を下回ることが決定される場合、前記方法は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フロー（ＱＮｅｔ）を監視することと、前記局所電気系統（１２）の前記有効および無効消費電力と前記それぞれの発電機（１４）によって生成される前記有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の絶対値が第２の所定の値（Ｑｔ）を下回るかどうかを決定することとを備え、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の前記絶対値が前記第２の所定の値（Ｑｔ）を下回ることが決定されると、その場合には前記方法は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）が前記第２の所定の値（Ｑｔ）を加算または減算した絶対値を有するように、前記局所電気系統（１２）のうちの前記少なくとも１つの局所電気系統の前記発電機（１４）からの目標無効電力出力（ＱＧｅｎ−Ｔａｒｇｅｔ）を調整することを備える方法。
【請求項１６】
発電機（１４）を有する局所電気系統（１２）において電源喪失リレーの検出不能ゾーンを回避する方法であって、前記局所電気系統（１２）は発電機ネットワーク（１０）に接続され、前記電源喪失検出リレーは、周波数の変化率検出リレーであり、各発電機（１４）は、制御ユニット（２８）を有し、前記制御ユニット（２８）は、無効電力制御機構（３０）を有し、前記無効電力制御機構（３０）は、ドループ・コントローラを有し、前記無効電力制御機構（３０）は、意図しないアイランド化の事象が生じた場合に、不安定になるように構成され、前記方法は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への有効電力フロー（ＰＮｅｔ）を監視することと、前記局所電気系統（１２）の消費電力と前記発電機（１４）との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の絶対値が第１の所定の値（Ｐｔ）を下回るかどうかを決定することとを備え、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記有効電力フロー（ＰＮｅｔ）の前記絶対値が前記第１の所定の値（Ｐｔ）を下回ることが決定されると、その場合には前記方法は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への無効電力フロー（ＱＮｅｔ）を監視することと、前記局所電気系統（１２）の前記有効および無効消費電力と前記発電機（１４）によって生成される前記有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の絶対値が第２の所定の値（Ｑｔ）を下回るかどうかを決定することとを備え、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フロー（ＱＮｅｔ）の前記絶対値が前記第２の所定の値（Ｑｔ）を下回ることが決定されると、その場合には前記方法は、前記発電機ネットワーク（１０）から前記局所電気系統（１２）への前記無効電力フローが前記第２の所定の値（Ｑｔ）を加算または減算した絶対値を有するように、前記局所電気系統（１２）の前記発電機（１４）からの目標無効電力出力（ＱＧｅｎ−Ｔａｒｇｅｔ）を調整することを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機ネットワークおよび局所電気系統に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源喪失給電を検出する既存の方法は、受動的方法および能動的方法という２つのカテゴリに分けられる。
【０００３】
電源喪失給電を検出する受動的方法は、「ＲＯＣＯＦ」、周波数の変化率、検出リレー、または「ベクトルシフト」リレーに基づく。これらの方法はいずれも、概ね同様の原理に基づいて動作する。電源喪失の事象が発生した場合、電気系統の一部が電気系統の残りの部分から分離されて、１つまたは複数の局所発電機、および「トラップ負荷」と称される負荷を含む電力アイランド（ｐｏｗｅｒ  ｉｓｌａｎｄ）を形成する。電気系統の残りの部分は、複数の発電機および負荷を含む。電力アイランド内には通常、局所発電機とトラップ負荷との間に有限の不均衡がある。電力アイランド内のすべての発電機およびトラップされた負荷は、この均衡で考慮される。有効電力（ｒｅａｌ  ｐｏｗｅｒ）または無効電力（ｒｅａｃｔｉｖｅ）の不均衡は、不均衡が、ＲＯＣＯＦ、ベクトルシフト・リレーまたは同様の検出リレーのしきい値を上回る、周波数の変化ＲＯＣＯＦ、周波数変化率をもたらすのに十分な大きさである限り、電源喪失の検出を可能にする。有効電力および無効電力の両方はいずれも電力アイランド内で均衡がとれており、電力アイランドの発電容量の約２．５％以内であると、その場合には通常のＲＯＣＯＦリレー設定について、電力アイランドの検出は２秒を超える時間にわたり発生しない可能性もある。
【０００４】
理論上は、能動（ａｃｔｉｖｅ）および無効（ｒｅａｃｔｉｖｅ）電力の発電および需要の両方が電力アイランド内で均衡がとれている場合、おそらくは数分間にわたり均衡がとれている間、電源喪失を検出することは不可能となることもある。これは電気系統の動作に害を及ぼし、電源喪失の潜在的な検出不能は、分散型の発電機の配置を妨げる障壁となる。しかし、負荷および発電における自然発生的な変化は、発電と負荷との間の良好な均衡が継続する可能性が低いことを意味する。また、グリッド接続モードにおいて、発電機調節装置およびＡＶＲ、自動電圧調整装置（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）の標準ドループ制御ループは、電気系統が偶然にアイランド化された場合、一般に不安定であるか、または不安定となるように設計されている。したがって、標準グリッド接続制御アルゴリズムおよび最小負荷／発電変動により、電気系統が当初極めて良好に均衡がとれている場合、実際的な検出時間は研究室において最大１２秒であると示されてきた。
【０００５】
インバータ接続の発電機に固有の電源喪失給電を検出する能動的方法は、定常状態またはバースト状態のいずれかによる、電気系統への高調波を伴う電流の注入に基づく。発電機の多数のオペレータは、電力の品質を損なう可能性があるので、高調波電流を意図的に注入することに反対する。
【０００６】
同期発電機を含む、あらゆるタイプの発電機に適用可能な電源喪失給電を検出する能動的方法は、発電機の無効電力出力を意図的に変化させる、無効電力ディザリング、ならびに電源電圧および周波数の対応する変化を測定することに基づく。電源電圧および周波数の変化は、電源喪失の後により大きくなり、それが電源喪失を検出する基準である。しかし、この技術の実際の適用例は知られていない。同期発電機の場合、界磁電流は適切な周波数において変調することが必要となる。この周波数は、２秒未満の検出時間を維持するのに十分な高さでありながら、磁界駆動により追跡されるのに十分な低さである必要がある。意図的ではないアイランド化が生じると、変調は結果として、（もはや接続されていない）電気系統の残りの部分との変化する無効電力交換をもたらすのではなく、局所電気系統における変調されたＡＣ  ＲＭＳ電圧レベルをもたらす。界磁電流変調周波数に対応するＡＣ  ＲＭＳ電圧振幅のそのような混乱が検出されると、その場合には電源喪失トリップ信号が生成される。
【０００７】
電源喪失給電を検出するさらなる可能な提案される方法は、ＲＯＣＯＦの識別またはベクトルシフト・リレー保護を向上させるために無効電力ディザリングを使用することである。しかし、この技術の実際の適用例は知られていない。周波数の変化率の検出に続いて、発電機の励磁は、電源喪失と、電源喪失とは無関係の電気系統全体の周波数外乱とを区別するために変更される。変更することで、電気系統への連続的な意図的な外乱の支障を回避する。
【０００８】
電源喪失給電を検出する受動的方法は、保護リレーを遮断するために負荷と発電との間に十分な不一致があることに依存する。この不一致は、偶然に左右されるものであり、容認されない。
【０００９】
電源喪失給電を検出する能動的方法は、電気系統内の変化する無効電力フローを導入するために、無効電力ディザリングに依存する。無効電力フローのこれらの変動は、２秒以内の検出を可能にするため、約２Ｈｚまたはそれよりもわずかに高い周波数である必要がある。この周期的な無効電力の変動は、電気系統の設備の電気抵抗により、微少な電圧変化を引き起こす。この周期的な電圧変化は、白熱電球の好ましくないちらつきを生じることがある。電気系統自体が、たとえば船内におけるように、小規模であると、その場合にはそのような周波数における周期的な無効電力変動フローは、電気系統の振動を励磁することがある。
【００１０】
また、公開されている欧州特許出願公開第１５７４６７２Ａ２号明細書において説明されるような発電所向けの能動的アイランド化防止系統、および公開されている米国特許出願第２００６００８２９３６Ａ１号明細書において説明されるような同期マシンベースの分散された発電機向けのアイランド化防止保護系統もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明は、前述の問題を軽減し、好ましくは克服する新規の電気系統を提供することを目指す。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明は、複数の発電機および複数の局所電気系統を備える発電機ネットワークであって、各局所電気系統は発電機を有し、局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統は、電源喪失検出リレーの検出不能ゾーンを回避するためのコントローラを有し、コントローラは、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への有効電力フローを監視するように構成され、コントローラは、局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統の消費電力とそれぞれの発電機との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への有効電力フローの絶対値が第１の所定の値を下回るかどうかを決定するように構成され、コントローラが、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への有効電力フローの絶対値が第１の所定の値を下回ることを決定すると、その場合にはコントローラは、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フローを監視するように構成され、コントローラは、局所電気系統の有効および無効消費電力とそれぞれの発電機によって生成される有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フローの絶対値が第２の所定の値を下回るかどうかを決定するように構成され、コントローラが、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フローの絶対値が第２の所定の値を下回ることを決定すると、その場合にはコントローラは、発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フローが第２の所定の値を加算または減算した絶対値を有するように、局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統の発電機からの目標無効電力出力を調整するように構成される発電機ネットワークを提供する。
【００１３】
好ましくは、コントローラは、局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統の局所有効電力需要が、それぞれの発電機の有効発電目標値と一致するように構成される。
【００１４】
好ましくは、複数の局所電気系統は電源喪失検出リレーの検出不能ゾーンを回避するためのコントローラを有する。
【００１５】
さらに好ましくは、すべての局所電気系統は電源喪失検出リレーの検出不能ゾーンを回避するためのコントローラを有する。
【００１６】
好ましくは、局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統は、発電ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への有効電力フローを測定するためのセンサーを有し、センサーは測定値をコントローラに送信するように構成される。
【００１７】
好ましくは、局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統は、局所負荷無効電力需要を測定するためのセンサーを有し、センサーは測定値をコントローラに送信するように構成され、コントローラは測定された局所負荷無効電力需要から標準発電機出力目標値を減算することにより発電機ネットワークから局所電気系統のうちの少なくとも１つの局所電気系統への無効電力フローを計算する。
【００１８】
好ましくは、発電機ネットワークは、常時サービス提供中に少なくとも１０ＧＶＡの電流発電を有し、電源喪失検出リレーは約０．２Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、第１の所定の値Ｐｔおよび第２の所定の値Ｑｔは０．０５ｐｕに設定され、有効電力に対する局所発電機周波数ドループは５％であり、無効電力に対する局所発電機電圧ドループは１０％である。
【００１９】
あるいは、発電機ネットワークは、常時サービス提供中に少なくとも１ＭＶＡの電流発電を有し、電源喪失検出リレーは約０．５Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、第１の所定の値Ｐｔおよび第２の所定の値Ｑｔは０．１ｐｕに設定され、有効電力に対する局所発電機周波数ドループは５％であり、無効電力に対する局所発電機電圧ドループは１０％である。
【００２０】
本発明はまた、発電機を有する局所電気系統であって、局所電気系統は発電機ネットワークに接続され、局所電気系統は、電源喪失検出リレーの検出不能ゾーンを回避するためのコントローラを有し、コントローラは、発電機ネットワークから局所電気系統への有効電力フローを監視するように構成され、コントローラは、局所電気系統の消費電力と発電機との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、発電機ネットワークから局所電気系統への有効電力フローの絶対値が第１の所定の値を下回るかどうかを決定するように構成され、コントローラが、発電機ネットワークから局所電気系統への有効電力フローの絶対値が第１の所定の値を下回ることを決定すると、その場合にはコントローラは、発電機ネットワークから局所電気系統への無効電力フローを監視するように構成され、コントローラは、局所電気系統の有効および無効消費電力と発電機によって生成される有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、発電機ネットワークから局所電気系統への無効電力フローの絶対値が第２の所定の値を下回るかどうかを決定するように構成され、コントローラが、発電機ネットワークから局所電気系統への無効電力フローの絶対値が第２の所定の値を下回ることを決定すると、その場合にはコントローラは、発電機ネットワークから局所電気系統への無効電力フローが第２の所定の値を加算または減算した絶対値を有するように、局所電気系統の発電機からの目標無効電力出力を調整するように構成される局所電気系統を提供する。
【００２１】
好ましくは、コントローラは、局所電気系統の局所有効電力需要が、それぞれの発電機の有効発電目標値と一致するように構成される。
【００２２】
好ましくは、局所電気系統は、発電ネットワークから局所電気系統への有効電力フローを測定するためのセンサーを有し、センサーは測定値をコントローラに送信するように構成される。
【００２３】
好ましくは、局所電気系統は、局所負荷無効電力需要を測定するためのセンサーを有し、センサーは測定値をコントローラに送信するように構成され、コントローラは測定された局所負荷無効電力需要から標準発電機出力目標値を減算することにより発電機ネットワークから局所電気系統への無効電力フローを計算する。
【００２４】
好ましくは、発電機ネットワークは、常時サービス提供中に少なくとも１０ＧＶＡの電流発電を有し、電源喪失検出リレーは約０．２Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、第１の所定の値Ｐｔおよび第２の所定の値Ｑｔは０．０５ｐｕに設定され、有効電力に対する局所発電機周波数ドループは５％であり、無効電力に対する局所発電機電圧ドループは１０％である。
【００２５】
あるいは、発電機ネットワークは、常時サービス提供中に少なくとも１ＭＶＡの電流発電を有し、電源喪失検出リレーは約０．５Ｈｚ／ｓのトリガーしきい値で設定され、第１の所定の値Ｐｔおよび第２の所定の値Ｑｔは０．１ｐｕに設定され、有効電力に対する局所発電機周波数ドループは５％であり、無効電力に対する局所発電機電圧ドループは１０％である。
【００２６】
本発明は、添付の図面を参照し、例としてさらに詳細に説明されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による発電機ネットワークを示す概略図である。
【図２】本発明による発電機ネットワーク内の発電機のコントローラを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示される発電機ネットワーク１０は、１つだけが図示されている複数の局所電気系統１２を備える。各局所電気系統１２は、発電機１４、および１つまたは複数の局所電気負荷１６を備える。局所電気系統１２の境界は、破線１８により示される。発電機１４は、送電線２０により局所電気負荷１６に電気的に接続され、局所電気系統１２は、送電線２２により発電機ネットワーク１０の残りの部分に電気的に接続される。
【００２９】
各局所電気系統１２は、送電線２２に設けられた接触器またはスイッチ２４を有する。接触器２４は通常、閉じられて、局所電気系統１２を発電機ネットワーク１０に接続するが、接触器２４は、局所電気系統１２を発電機ネットワーク１０から意図的に絶縁して電力アイランドを形成するために開かれることもある。
【００３０】
送電線２２にはまた、緊急時に発電機ネットワーク１０から局所電気系統１２を絶縁するためにスイッチ２６も設けられており、このスイッチが電源喪失の事象または局所電気系統１２のアイランド化をもたらす。
【００３１】
発電機１４は、制御ユニット２８を備える。制御ユニット２８は、無効電力制御機構３０を備え、無効電力制御機構３０は、制御ユニットが発電機ネットワーク１０に接続されているモードにおいて、定格無効電力Ｑセット・ポイントで電圧に対するドループ制御をもたらすドループ・コントローラを備える。無効電力Ｑセット・ポイントは、固定のＶＡＲ値、ボルト・アンペア無効値（Ｖｏｌｔ−Ａｍｐｅｒｅ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｖａｌｕｅ）、もしくは目標電力、比率、進みまたは遅れ、および実際の発電機１４の有効電力出力によって決まる値のいずれかである。無効電力制御機構３０は、発電機１２が発電機ネットワーク１０に接続されているときは安定しているが、スイッチ２６が開かれることにより生じた電源喪失の事象により、局所電気系統１２が意図せずにアイランド化される場合に、一般に不安定であるか、または不安定となるように調整されてもよい。無効電力制御機構３０の不安定さは、通常は１よりも著しく大きいドループ・コントローラのゲインと相まって、ドループ・コントローラ内の位相遅れ、および発電機１４の応答から生じる。
【００３２】
制御ユニット２８はまた、有効電力制御機構３２を備える。有効電力制御機構３２は、発電機ネットワーク１０に接続されているモードにおいて、定格有効電力Ｐセット・ポイントで電圧に対してドループ制御をもたらすドループ・コントローラを備える。有効電力制御機構３２は、発電機１２が発電機ネットワーク１０に接続されているときは安定しているが、スイッチ２６が開かれることにより生じた電源喪失の事象により、局所電気系統１２が意図せずにアイランド化される場合に、一般に不安定であるか、または不安定となるように調整されてもよい。有効電力制御機構３２の不安定さは、通常は１よりも著しく大きいドループ・コントローラのゲインと相まって、ドループ・コントローラ内の位相遅れ、および発電機１４の応答から生じる。加えて、有効電力制御機構３２および無効電力制御機構３０間の交差結合は、無効電力制御機構３０および有効電力制御機構３２を共に全体として不安定にする傾向がある。有効電力制御機構３２および無効電力制御機構３０は、発電機１４および局所電気負荷１６双方の中で周波数および電圧の結合力学を介して相互に依存しあう。たとえば、無効電力の変化は電圧に影響を及ぼし、ひいては、それが抵抗電気負荷に伴う能動需要を変化させ、そのことが周波数に影響を及ぼす。周波数の任意の変化は、無効電気負荷のリアクタンスを変化させ、それが無効需要に影響を及ぼす。
【００３３】
有効電力制御機構３２におけるドループ・コントローラの代替は、局所電気負荷１６の局所有効電力負荷需要に対する局所発電機１４の有効電力出力の能動的で意図的な平衡化である。これは図２に示され、後段で説明される。この制御機構は、スイッチ２６を開くことにより生じた電源喪失の事象が原因で、局所電気系統１２が意図せずしてアイランド化される場合、典型的に不安定となるわけではない。制御ループ・ゲインは実際にはゼロであるため、周波数に回復制御の影響をもたらすことはなく、したがってアイランド化の際のその初期周波数からの系統の任意の摂動は、局所電気系統１２の周波数の定格からの逸脱をさらに増大させる傾向がある。この影響はさらに、局所発電機１４および局所電気負荷１６内の周波数および電圧の力学を介する、孤立状態では不安定な無効電力制御機構３０への有効電力制御機構３２の相互結合によって強められる。
【００３４】
全体的な影響は、局所電気系統１２の局所発電機１４の制御機構３０および３０が、グリッド接続モードで動作している場合、意図的ではないアイランド化の事象が発生したときに本質的に不安定であることである。
【００３５】
本発明は、局所電気系統１２と発電機ネットワーク１０との間の有効電力フローＰＮｅｔまたは無効電力フローＱＮｅｔのいずれかが特定のしきい値を上回ることを保証するためのさらなる制御機構３４を提供する。それらのしきい値は、単位に関しては小さい。しかし、それらのしきい値は、意図せずしてアイランド化が生じると、不安定な無効電力制御機構３０および有効電力制御機構３２が結果として、たとえば２秒などの、所定の時間未満で振動および検出可能な電源喪失条件をもたらすように、局所電気系統１２の制御が常に乱されるほど十分に大きい。電源喪失条件が検出されると、アイランド化された局所電気系統１２の崩壊が発生する前に、適切な処置が行われてもよい。電源喪失条件の検出は、局所発電機１４の遮断をまねく場合もある。しかし、より望ましいアクションは、局所発電機１２をサービス提供状態で保持し、周波数および電圧制御などの、アイランド化モードで安定している局所発電機１４の制御モードに迅速に切り替えて、意図的なアイランド化モードでアイランド化された局所電気系統１２を動作することにより電源喪失の事象を乗り切ることである。局所電気系統１２の動作のこの意図的なアイランド化モードは、保守人員の安全を確保して、発電機ネットワーク１０の位相外れ再閉路を回避するために適切に管理される。
【００３６】
さらなる制御機構３４の動作は、図２の流れ図によりさらに詳細に示される。さらなる制御機構３４は、アルゴリズムを備える。
【００３７】
第１に、ステップ４０においてオプションまたは意図的に、さらなる制御機構３４は、局所有効電力発電目標値ＰＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ（ワット）を局所有効電力需要ＰＬｏａｄ（ワット）と適合させる。このオプションのステップは、グリッド接続モードからアイランド化動作モードへの変化が発生した場合に、周波数および原動力過渡電流を最小化するので、意図的にアイランド化された動作の重要な先駆となりうる。
【００３８】
第２に、ステップ４２において、さらなる制御機構３４は、発電機ネットワーク１０から局所電気系統１２への有効電力フローＰＮｅｔを監視し、特に、さらなる制御機構３４は、発電機ネットワーク１０からアイランド化の恐れのある局所電気系統１２への有効電力交換を測定する。ステップ４０が実施された場合、ＰＮｅｔが小さくなる可能性が高いことに留意されたい。センサー３６は、有効電力フローＰＮｅｔおよび無効電力フローＱＮｅｔを測定し、さらなる制御機構３４に測定値を供給するように構成される。
【００３９】
第３に、ステップ４４において、さらなる制御機構３４は、局所電気系統１２の有効消費電力とそれぞれの発電機１４との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、発電機ネットワーク１０から局所電気系統１２への有効電力フローＰＮｅｔの絶対値が第１の所定の値Ｐｔを下回るかどうかを決定する。このステップは、トラップ負荷を除外する。フラグＰＭａｔｃｈは真Ｙに設定され、それ以外の場合ＰＭａｔｃｈは偽Ｎに設定される。ＰＭａｔｃｈが偽Ｎであると、その場合にはさらなる制御機構３４は終了され、次の実行時間フレームでステップ４０において再度開始する。ＰＭａｔｃｈが真Ｙであると、その場合にはさらなる制御機構３４は、引き続き次のステップ４６に進む。
【００４０】
第４に、ステップ４６において、さらなる制御機構３４は、発電機ネットワーク１０から局所電気系統１２への無効電力フローＱＮｅｔを監視する。実際には、後続の制御アルゴリズム内のヒステリシス考慮により、ＱＮｅｔは直接測定されないが、その代わりに、セット・ポイントＱ目標値およびドループ制御が適用された後、測定された局所負荷無効電力需要ＱＬｏａｄから標準発電機ＶＡＲ出力目標値ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔを減算することによりＱＮｅｔ＊として推定される。線２０上のセンサー３８は、局所負荷無効電力需要ＱＬｏａｄを測定し、さらなる制御機構３４に測定値を供給するように構成されてもよい。あるいは、ＰＬｏａｄおよびＱＬｏａｄは、線２０上のセンサー３９を使用して実際の局所発電機１４の有効電力フローＰＧｅｎおよび無効電力フローＱＧｅｎを測定し、ＰＬｏａｄ＝ＰＧｅｎ＋ＰＮｅｔおよびＱＬｏａｄ＋ＱＧｅｎ＋ＱＮｅｔを設定することにより推定されてもよい。これは、センサー３８の必要をなくす。
【００４１】
第５に、ステップ４８において、さらなる制御機構３４は、局所電気系統１２の有効および無効消費電力とそれぞれの発電機１４によって生成される有効および無効電力との間に僅差の一致があるかどうかを決定するために、発電機ネットワーク１０から局所電気系統１２への無効電力フローＱＮｅｔの絶対値が第２の所定の値Ｑｔを下回るかどうかを決定する。このステップもまた、トラップ負荷を除外する。フラグＱＡｄｊｕｓｔは真Ｙに設定され、それ以外の場合ＱＡｄｊｕｓｔは偽Ｎに設定される。ＱＡｄｊｕｓｔが偽Ｎであると、その場合にはさらなる制御機構３４は終了され、次の実行時間フレームでステップ４０において再度開始する。ＱＡｄｊｕｓｔが真Ｙであると、その場合にはさらなる制御機構３４は、次のステップ５０に進む。
【００４２】
第６に、ステップ５０において、さらなる制御機構は、発電機ネットワーク１０から局所電気系統１２への無効電力フローが第２の所定の値Ｑｔを加算または減算した絶対値を有するように、局所電気系統１４の発電機１４からの目標無効電力出力ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔを調整する。第２の所定の値は、ＱＮｅｔの絶対値が下回ってはならないしきい値である。最後に、ステップ５２または５４において元の目標無効電力出力ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔに最小の調整を行ってＱＮｅｔの絶対値＞Ｑｔを達成するため、目標無効電力出力ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔは、上に、つまり増大されるか、または下に、つまり減少されて調整される。上に調整する決定は、フラグＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐ＝（ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ−ＱＬｏａｄ＞０）を使用して行われてもよい。これは、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＞ＱＬｏａｄである場合、ＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐは真Ｙまたは偽Ｎであるという意味である。これはつまり、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＞ＱＬｏａｄである場合、無効電力はすでに、局所電気系統１２から発電機ネットワーク１０に戻って流れているが、無効電力フローの大きさはすでに決定されているようにＱｔよりも小さいということである。したがって、この場合、局所発電機１４からの無効電力出力をＱｔよりも少ない値だけ増大することで、望ましい結果であるＱＮｅｔの絶対値＞Ｑｔをもたらすことになる。局所発電機１４の出力が減少されたとすると、その場合にはＱＮｅｔの絶対値＞Ｑｔを達成するためにＱｔよりも大きい値だけ減少されることになる。
【００４３】
修正された局所発電機１４無効電力出力目標値はこれで、ＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐが真の場合、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＿Ｎｅｗ＝ＱＬｏａｄ＋Ｑｔから、またはＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐが偽の場合、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＿Ｎｅｗ＝ＱＬｏａｄ−Ｑｔから計算される。間最終確認は、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＿Ｎｅｗが局所発電機１４の許容可能な制御範囲内にあるかどうかである。許容可能な範囲内にないと、その場合にはＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐの設定は反転され、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＿Ｎｅｗの値は再計算される。
【００４４】
実際には、前述のステップに加えて、時間および／または決定のしきい値を伴う適切なヒステリシスが、ＰＭａｔｃｈ、ＱＡｄｊｕｓｔ、ＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐのブール値を設定する決定プロセス中に適用されてもよい。このヒステリシスは、能動および無効電力フローが決定しきい値、第１の所定の値、および第２の所定の値の前後であるときに、制御が０から１、およびその逆に定期的に変化することを回避する。０または１の値を持つブール値ＱＡｄｊｕｓｔ＿ｕｐを、それぞれ−１または＋１の値を持つ浮動小数点値ＱＡｄｊｕｓｔ＿Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎに変換することが可能である。これは、ＱＡｄｊｕｓｔ＿Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＿Ｒａｔｅ＿Ｌｉｍｉｔｅｄを与えるために適切なスルー・レート制限値でスルー・レート・フィルタに通されてもよい。このスルー・レートの制限は単に、それ以外の場合に発生することもある局所発電機無効電力目標値への任意の階段状変化を平滑化する。次いで、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＿Ｎｅｗは、ＱＧｅｎ＿Ｔａｒｇｅｔ＿Ｎｅｗ＝ＱＬｏａｄ＋Ｑｔ＊ＱＡｄｊｕｓｔ＿Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−Ｒａｔｅ＿Ｌｉｍｉｔｅｄから計算されてもよい。
【００４５】
図１に示されるように、局所電気系統１２の境界の外にはトラップ負荷があってもよい。電源喪失の事象が発生した場合、それはさらなる電気負荷またはさらなる発電機が、意図的ではない電力アイランドの一部となるという結果をもたらすこともある。
【００４６】
最悪の事態は、局所で発電された能動／有効電力ＰＧｅｎがＰＬｏａｄに意図的には適合されず、実際には偶然に（ＰＬｏａｄ＋ＰＴｒａｐｐｅｄ）にほぼ適合される場合、また僅差の無効電力の一致が偶然にＱＧｅｎと（ＱＬｏａｄ＋ＱＴｒａｐｐｅｄ）との間に存在する場合である。これは、可能性は低いが、起こりうる事象である。このシナリオは、前述のオプションのステップ４０におけるように、ＰＧｅｎをＰＬｏａｄに意図的に適合させることにより回避されてもよい。これは、ＰＴｒａｐｐｅｄが大きい、つまり絶対値（ＰＴｒａｐｐｅｄ＞Ｐｔ）であると、その場合にはＰＧｅｎ＝ＰＬｏａｄであるためＰＧｅｎは（ＰＬｏａｄ＋ＰＴｒａｐｐｅｄ）とほぼ等しくなることは決してないということである。ＰＴｒａｐｐｅｄがゼロに非常に近い、つまりＰＴｒａｐｐｅｄの絶対値がＰｔより小さいかまたはＰｔと等しいと、その場合にはＰＧｅｎは（ＰＬｏａｄ＋ＰＴｒａｐｐｅｄ）に非常に近づくが、この場合さらなる制御機構３４のステップ４２から５０が行われる。また、偶然に無効電力の僅差の一致ＱＧｅｎ＝（ＱＬｏａｄ＋ＱＴｒａｐｐｅｄ）も生じると、その場合にはＱＴｒａｐｐｅｄの絶対値はＱｔより大きいかまたはＱｔと等しくなければならない。これは、ＰＴｒａｐｐｅｄの絶対値がＰｔより小さいかまたはＰｔと等しい場合、トラップ負荷またはトラップ発電機が極めて低い力率を有していない限り、ほとんどあり得ない。したがって、追加のトラップ負荷が存在する可能性がある場合、局所有効電力発電と局所電力需要の意図的な一致で局所電気系統１２を操作することは、電源喪失の検出不能ゾーンを回避するためのツールとして使用されてもよいことが反直観的に分かる。これは、局所発電機が、アイランド化に続いてトラップ負荷を供給せざるを得ないため、能動および無効電力の慎重な均衡を妨げるからである。
【００４７】
２から１０ｋＶＡスケールにおける研究室の実験では、以下のしきい値が、ＰＧｅｎがＰＬｏａｄに意図的に適合されるとき、分散型発電によるマイクログリッド電力系統内で、電源喪失の検出を保証するのにほぼ十分であることを指示する。大工業国の全国電力系統網のような、常時サービス提供中に少なくとも１０ＧＶＡの電流発電を備える大規模な発電機ネットワークに接続されたマイクログリッドの場合、電源喪失検出リレーは、約０．２Ｈｚ／ｓのトリガー／トリップしきい値で設定され、ＰｔおよびＱｔは０．０５ｐｕに設定される。有効電力に対する局所発電機周波数ドループは５％。無効電力に対する局所発電機電圧ドループは１０％。電源喪失検出は、２秒以内に発生する。常時サービス提供中に少なくとも１ＭＶＡの電流発電を備える小規模な発電機ネットワークに接続されたマイクログリッドの場合、電源喪失検出リレーは、約０．５Ｈｚ／ｓのトリガー／トリップしきい値で設定され、ＰｔおよびＱｔは０．０１ｐｕに設定される。有効電力に対する局所発電機周波数ドループは５％。無効電力に対する局所発電機電圧ドループは１０％。電源喪失検出は、２秒以内に発生する。周波数の変化率（ＲＯＣＯＦ）しきい値をさらに０．５Ｈｚ／ｓよりも大きく広げるには、２秒以内の電源喪失の検出を保証するためにＰｔおよびＱｔの対応する増加が必要となる。
【００４８】
本発明の利点は、能動電力発電（ａｃｔｉｖｅ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）が意図せずしてアイランド化された局所電気系統内で負荷需要と完全に一致する場合であっても、たとえば２秒など、所定の時間内に、電源喪失またはアイランド化を検出できるようにすることである。本発明は、無効電力出力の制御を可能にするあらゆるタイプの発電機に適用可能である。本発明は、局所電気系統の意図的ではないアイランド化の検出不能のリスクを、たとえば２秒など、所定の時間内に軽減する。このことは、ひいては、たとえば局所電気系統および発電機ネットワークなど、２つの位相外れ電気系統の間の後続の再閉路を通じた機器への損害のリスクを最小化し、要員の感電死のリスクを最小化する。本発明は、陸上の分散発電機ネットワーク、海上ＡＣ発電機ネットワーク、およびおそらくは航空ＡＣ発電機ネットワークに適用可能である。
【図１】
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【図２】
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