(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グリッド（１４０）における過渡事象の後で発電システム（１００）を制御する方法であって、
発電機（１３０）の端子における電気的周波数の変化率を感知するステップと、
プロセッサ（３０３）を用いて、軸線加速度の変化率を決定するステップと、
軸線加速度の前記変化率に基づいて、前記グリッド（１４０）における過渡事象を識別するステップと、
特定された継続時間の間、電気的周波数の前記変化率が第１の特定された値を超え、軸線加速度の前記変化率が第２の特定された値を超えるときに、前記グリッド（１４０）における過渡事象から回復するための作用をトリガするステップと、
を含む方法。
【請求項２】
軸線加速度の前記変化率を決定する前記ステップは、前記発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）とを処理するステップに基づく、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記処理するステップは、処理された値を得るために前記発電機（１３０）における前記電力と前記周波数信号（３０５）とのそれぞれを処理するステップと、前記処理された値の和をさらにフィルタリングするステップとを含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記発電機（１３０）における前記電力を前記処理するステップは、電力の積分を提供し、前記和を前記さらにフィルタリングするステップは、機械的動力の積分を提供する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
機械的動力の前記積分と電力の前記積分との間の差に基づいて、軸線加速度の前記変化率を決定するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
短絡を識別するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記短絡が識別されるときに前記作用を前記トリガするステップをさらに含む／無効にする、請求項６記載の方法。
【請求項８】
グリッド（１４０）における過渡事象の後で発電システムを制御するシステムであって、
発電機（１３０）に結合された軸線を含む原動機（１５０）と、
グリッド（１４０）に給電するように構成された前記発電機（１３０）と、
前記発電機（１３０）に結合された励磁機（１２０）と、
前記発電機（１３０）の端子における電気的周波数の変化率を感知し、前記軸線の加速度の変化率を決定し、加速度の前記変化率に基づいて前記グリッド（１４０）における過渡事象を識別し、特定の継続時間の間、電気的周波数の前記変化率が第１の特定された値を超え、加速度の前記変化率が第２の特定された値を超えるときに、前記グリッド（１４０）における過渡事象から回復するための作用をトリガするように構成されたコントローラ（１１０）と、
を含むシステム。
【請求項９】
前記コントローラ（１１０）は、前記発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）との処理に基づいて、前記軸線の加速度の前記変化率を決定するように構成されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラ（１１０）は、処理された値を得るために前記発電機（１３０）における前記電力と前記周波数信号（３０５）とのそれぞれを処理し、前記処理された値の和をさらにフィルタリングする、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントローラ（１１０）は、前記発電機（１３０）における前記電力の処理に基づいて、電力の積分を決定し、前記和のフィルタリングに基づいて、機械的動力の積分を決定する、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記コントローラ（１１０）は、機械的動力の前記積分と電力の前記積分との間の差に基づいて、前記軸線の加速度の前記変化率を決定する、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記コントローラ（１１０）は、さらに、短絡を識別するように構成されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントローラ（１１０）は、前記短絡が識別されるときの前記作用のトリガを無効にするための無効信号（２７０）を出力する、請求項１３記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は、過渡的グリッド事象に続く発電システムの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電システムは、他の一次エネルギ源から電力を生成する原動機（プライムムーバ）を含む。例示的な原動機であるガスタービンは、ガスタービンシャフトを備えた回転する機械的デバイスであるが、このガスタービンシャフトが、最終ユーザに電力を供給する送電グリッドに電力を供給する発電機を、駆動する。別の例示的な原動機には、蒸気タービンがある。故障のない動作のために、タービンシャフトの速度と結果的なグリッド周波数とは、動作レンジの範囲内に維持されなければならない。過渡事象のためにグリッド周波数が急に変化すると、タービンコントローラが、シャフト速度の制御を通じて、発電システムにおけるバランスを回復させることを試みるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６２１６４３７号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明のある態様によると、グリッドにおける過渡事象の後で発電システムを制御する方法が、発電機の端子における電気的周波数の変化率を感知するステップと、プロセッサを用いて、軸線加速度の変化率を決定するステップと、軸線加速度の変化率に基づいて、グリッドにおける過渡事象を識別するステップと、特定された継続時間の間、電気的周波数の変化率が第１の特定された値を超え、軸線加速度の変化率が第２の特定された値を超えるときに、グリッドにおける過渡事象から回復するための作用をトリガするステップと、を含む。
【０００５】
本発明の別の態様によると、グリッドにおける過渡事象の後で発電システムを制御するシステムが、発電機に結合された軸線を含む原動機と、グリッドに給電するように構成された発電機と、発電機に結合された励磁機と、発電機の端子における電気的周波数の変化率を感知し、軸線の加速度の変化率を決定し、加速度の変化率に基づいてグリッドにおける過渡事象を識別し、特定の継続時間の間、電気的周波数の変化率が第１の特定された値を超え、加速度の変化率が第２の特定された値を超えるときに、グリッドにおける過渡事象から回復するための作用をトリガするように構成されたコントローラと、を含む。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によると、発電システムにおける発電機に結合されたコントローラが、測定データを受信するように構成された入力インターフェースと、命令を記憶するように構成されたメモリデバイスと、測定データに基づいて、発電機の端子における電気的周波数の変化率を感知し、原動機を発電機に結合する軸線の加速度の変化率を決定し、加速度の変化率に基づいて、グリッドにおける過渡事象を識別し、特定された継続時間の間、電気的周波数の変化率が第１の特定された値を超え、軸線加速度の変化率が第２の特定された値を超えるときに、グリッドにおける過渡事象から回復するための作用をトリガすることに基づいて、グリッドにおける過渡事象の後で発電システムを制御する命令を処理するように構成されたプロセッサと、を含む。
【０００７】
これらのおよびそれ以外の効果および特徴が、図面と共に以下の説明を読むことで、いっそう明らかになるだろう。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結論部分にある特許請求の範囲において、個別的に指摘され明瞭に特許請求されている。本発明の上述したおよびそれ以外の特徴ならびに効果は、次に簡単に説明される添付の図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のある実施形態による励磁機（エキサイタ）コントローラを含む発電システムのブロック図である。
【図２】本発明のいくつかの実施形態に従ってグリッドにおける過渡事象の後でガスタービンを制御する方法のプロセスフローである。
【図３】本発明のある実施形態に従ってガスタービンにおける軸線加速度の変化率を計算するプロセスフローである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、図面を参照することにより、本発明の実施形態を、効果および特徴と共に、説明する。
【００１１】
上述したように、原動機を備えた発電システムは、周波数の逸脱を生じさせるグリッドにおける過渡事象の後で、システムをバランスのとれた状態に復帰させるためのタービンコントローラを含む。一例を挙げると、グリッドにおいて周波数の低下が検出されると、速度の低下が検出されるのであるが、この理由は、速度がグリッド周波数と共に変動するからである。原動機による燃料の取り込みは、速度の低下の感知に基づいて、増加し得るのであるが、これが、周波数の低下を補償するために、有効電力出力を増加させる。この結果として、システムの限度を超えて電力が増加することになり、結果的に、ガスタービンへの燃料を遮断する（燃焼の停止）。これに加えて、タービンコントローラは、高速のグリッド周波数の過渡状態に反応しようとすると、ガスタービンの動的振る舞いに潜在的に影響を与えることがあり得る。グリッドの過渡事象自体を認識することのない、グリッドにおける過渡事象の徴候への反応のために、一連の事象が生じる。本明細書において詳細に説明されるシステムおよび方法の実施形態は、グリッドの過渡事象を認識し、それに従って原動機を制御することに関する。特に、知覚された条件に対する過剰反応ではなく、適切な反応を保証するために、モニタリング期間が実装される。説明の目的のために、ガスタービンについて特に論じられるのであるが、本明細書で説明される実施形態は、任意の原動機に適用されるのであって、例示的なシステムに基づいて制約されることはない。
【００１２】
図１は、本発明のある実施形態による励磁機コントローラ１１０を含む発電システム１００のブロック図である。発電システム１００は、グリッド１４０に給電を行う発電機１３０に結合するガスタービン１５０を含む。ガスタービン１５０は、また、タービンコントローラ１６０にも結合されている。発電機１３０は、励磁機コントローラ１１０によって制御される励磁機１２０に結合されている。本明細書で詳述されている実施形態は、説明の目的のために励磁機１１０を参照して論じられるが、別の実施形態では、発電システム１００の１つまたは複数の他のサブシステムにおいても実装され得る。励磁機コントローラ１１０は、入力インターフェース１１２と、出力インターフェース１１８と、１つまたは複数のプロセッサ１１４と、１つまたは複数のメモリデバイス１１６とを含むコンピューティングシステムである。励磁機コントローラ１１０は、以下で詳述されるように、発電システム１００を制御する際に、グリッドにおける過渡事象の認識を容易にする。別の実施形態では、励磁機コントローラ１１０とは別個のコントローラが、用いられる。すなわち、説明の目的のために励磁機コントローラ１１０について特に論じるが、発電機１３０をモニタするコントローラであって本発明の実施形態を参照して論じられる励磁機コントローラ１１０の機能を含むようなコントローラであれば、どのようなコントローラでも、用いられ得る。
【００１３】
図２は、本発明のいくつかの実施形態に従ってグリッド１４０における過渡事象の後でガスタービン１５０を制御する方法のプロセスフローである。既に指摘したように、ガスタービン１５０は、本明細書で論じられるいくつかの実施形態に従って制御され得る原動機（プライムムーバ）の例示的な実施形態である。説明されているプロセスは、原動機がそれに従って制御され得るように、グリッドにおける過渡事象の認識を容易にする、という技術的効果を有する。グリッドにおける過渡事象は、結果として、グリッド周波数の上昇もしくは下降、および／または、発電機１３０の有効電力もしくは無効電力の上昇もしくは下降を生じさせ得るし、電圧、電流、力率などのような発電機の他のパラメータの他の過渡的変化と関連付けられ得る。いったんこれらの条件のうちの１つが検出されると、ブロック２１０におけるプロセスは、発電機の端子において電気周波数の変化率を感知することを含む。ブロック２２０では、機械的動力（ガスタービン１５０の場合であれば、発電システム１００のガスタービン１５０側における合成された機械的動力）と（発電システム１００のグリッド１４０側の）電力との差を計算することが、図３を参照してさらに論じられる。ブロック２１０および２２０におけるプロセスは、励磁機コントローラ１１０によって、または、別の実施形態では、別のコントローラもしくは発電システム１００のサブシステムによって、実行され得る。ブロック２４０では、軸線加速度の変化率を決定することが、機械的動力（合成された機械的動力）と電力（ブロック２２０）とに基づき、やはり図３を参照して詳述される。ブロック２５０では、発電システム１００の脱同期化のための電位を決定することが、（ブロック２１０で感知される）周波数の高い変化率と関連する（ブロック２４０で決定される）軸線の加速電力の積分を合成することを含む。この決定が、ガスタービンコントローラ１６０による軸速度の変化に対する単なる反応よりもむしろ、グリッドにおける過渡事象の認識を容易にする。ブロック２６０における処理は、後で論じられる。第１に、ブロック２６０におけるプロセスを無効にすることがあり得るブロック２３０におけるプロセスが、論じられる。ブロック２３０では、（たとえば、励磁機コントローラ１１０との）短絡を識別することが、端子電圧の低下と無効電流の上昇とが存在するかどうかを決定することを含む。端子電圧と無効電流とに基づいて短絡が識別されると、ブロック２６０においてどのような作用がトリガされることを防止するために、無効信号２７０が生じる。
【００１４】
ブロック２６０では、作用をトリガするための閾値が満たされているかどうかを決定することが、軸線加速度（ブロック２４０）の変化率が特定の値を超えるかどうかと、発電機１３０の端子（ブロック２１０）における電気的周波数の変化率が特定の時間またはサイクル数の間に特定の周波数レートよりも大きいかどうかとを決定することを含む。たとえば、閾値は、次の数式によって与えられる軸線加速度の変化率に対する閾値であり得る。
【００１５】
【数１】
0006506782.tif 000002
ただし、Ｐmは機械的動力であり、Ｐeは電力であり、特定の値である０．１ＰＵは、発電機１３０の全体の負荷（１ＰＵ）に対する百分率である。発電機１３０の端子における電気的周波数の変化率に対する閾値は、次の数式によって、与えられる。
【００１６】
【数２】
0006506782.tif 000003
ただし、ｆは周波数であり、特定の周波数レートの単位は、１秒あたりのヘルツ（Ｈｚ）である。これらの例示的な閾値は、作用が開始される前に、たとえば、３から７の連続的なサイクルの間、超えられなければならないことがあり得る。６０Ｈｚのシステムという例示的な場合には、１サイクルは、約１６ミリ秒（ｍｓ）であり、閾値は、たとえば５サイクルの間超えられなければならないことがあり得る。サイクルの個数（閾値）は、ガスタービン１５０（原動機）の設定に基づき得る。たとえば、軸線加速度の閾値変化率と、電気的周波数の閾値変化率とは、作用が開始される前に、単一軸のシステムに対してよりも、複数軸のシステムに対しての方が、より短い継続時間の間、超えられなければならないことがあり得る。例示的な閾値の値は、説明の目的だけのために、提供されている。閾値の値は、グリッド１４０の管理当局によって提供されるか、または、他の方法で得られ得るのであり、例示的な閾値の値は、ガスタービン１５０において無効な（間違った）作用が早すぎる時期において行われないことを保証するのに用いられ得る閾値を、限定しない。ブロック２６０において、特定の継続時間の間、閾値要件が満たされると、励磁機コントローラ１１０、タービンコントローラ１６０、これらの組合せ、および発電システム１００の他の制御サブシステムが、いくつかの作用を実行するために、用いられ得る。たとえば、タービンコントローラ１６０は、トリップや、コンプレッササージなど他の重大な事象を回避するために、燃料システム（燃料ストローク基準（ＦＳＲ）およびノズル）を前もって位置決めする、または、インレット誘導ベーン（ＩＧＶ）もしくは燃焼チャンバを前もって位置決めすることによって、ガスタービン１５０を前もって位置決めすることがあり得る。また、別の実施形態では、発電機１３０の他のパラメータが、グリッドにおける過渡事象を評価するために用いられ得る。たとえば、無効電力、界磁電流、固定子電流、固定子電圧、または負荷角度（上述された例示的な実施形態に含まれる）が用いられ得る。
【００１７】
図３は、本発明のある実施形態に従ってガスタービン１５０における軸線加速度の変化率を計算する、プロセスフロー３００である。発電機１５０の電力（典型的には、単位はメガワット（ＭＷ））３０１が、公知のプロセッサ３０３を通じて、入力される。プロセッサ３０３は、関心対象ではない高周波の過渡事象をフィルタリングによって除くためのウォッシュアウトフィルタまたはローパスフィルタと、積分ブロックと、（システム慣性による）分周器とを含む。特に、プロセッサ３０３の出力３１０は、次の数式によって、与えられる。
【００１８】
【数３】
0006506782.tif 000004
慣性は、Ｈによって与えられている。周波数信号３０５（ガスタービン１５０の軸線速度）が、ガスタービン１５０の軸線速度（Δω）の変化をウォッシュアウトフィルタ３０７の出力３２０として得るために、異なるウォッシュアウトフィルタ（ウォッシュアウトフィルタ３０７）を通じて入力される。電力（プロセッサの出力３１０）と軸線速度の変化（ウォッシュアウトフィルタの出力３２０）とが、発電システム１００の機械的動力（Ｐm）の表現を得るために、加算される。特に、和の出力３３０は、次の数式によって与えられる。
【００１９】
【数４】
0006506782.tif 000005
この和の出力３３０は、ランプトラックフィルタ３３５の出力３４０として、機械的動力Ｐmを得るために、ランプトラックフィルタ３３５に入力される。機械的動力Ｐmと電力Ｐeとの差は、差出力３５０として、得られる（図２のブロック２を参照して上述された）。特に、差出力３５０は、次の数式によって与えられる加速電力（Ｐacc）の積分である。
【００２０】
【数５】
0006506782.tif 000006
ＰmとＰeとの差は、ガスタービン１５０における回転子の加速度（または、減速度）に寄与する。変化率を決定するためにこの加速度を時間経過と共に観測することにより、上で論じられた軸線加速電力の変化率が得られる。
【００２１】
限定された数の実施形態だけとの関係で本発明が詳細に説明されてきたが、本発明はそのような開示されている実施形態に限定されない、ということが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、以上では説明されていないのであるが本発明の精神および射程と矛盾しない任意の個数の変形、変更、置換または均等な調整を組み入れるように修正され得る。さらに、本発明の様々な実施形態が以上で説明されてきたが、本発明の諸態様が説明された実施形態の一部のみを含むこともあり得る、ということが理解されるべきである。したがって、本発明は、以上の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。
【００２２】
最後に代表的な実施形態を以下に示す。
［実施態様１］
グリッド（１４０）における過渡事象の後で発電システム（１００）を制御する方法であって、
発電機（１３０）の端子における電気的周波数の変化率を感知するステップと、
プロセッサ（３０３）を用いて、軸線加速度の変化率を決定するステップと、
軸線加速度の変化率に基づいて、グリッド（１４０）における過渡事象を識別するステップと、
特定された継続時間の間、電気的周波数の変化率が第１の特定された値を超え、軸線加速度の変化率が第２の特定された値を超えるときに、グリッド（１４０）における過渡事象から回復するための作用をトリガするステップと、
を含む方法。
［実施態様２］
軸線加速度の変化率を決定するステップは、発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）とを処理するステップに基づく、実施態様１記載の方法。
［実施態様３］
処理するステップは、処理された値を得るために発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）とのそれぞれを処理するステップと、処理された値の和をさらにフィルタリングするステップとを含む、実施態様２記載の方法。
［実施態様４］
発電機（１３０）における電力を処理するステップは、電力の積分を提供し、和をさらにフィルタリングするステップは、機械的動力の積分を提供する、実施態様３記載の方法。
［実施態様５］
機械的動力の積分と電力の積分との間の差に基づいて、軸線加速度の変化率を決定するステップをさらに含む、実施態様４記載の方法。
［実施態様６］
短絡を識別するステップをさらに含む、実施態様１記載の方法。
［実施態様７］
短絡が識別されるときに作用をトリガするステップをさらに含む／無効にする、実施態様６記載の方法。
［実施態様８］
グリッド（１４０）における過渡事象の後で発電システム（１００）を制御するシステムであって、
発電機（１３０）に結合された軸線を含む原動機（１５０）と、
グリッド（１４０）に給電するように構成された発電機（１３０）と、
発電機（１３０）に結合された励磁機（１２０）と、
発電機（１３０）の端子における電気的周波数の変化率を感知し、軸線の加速度の変化率を決定し、加速度の変化率に基づいてグリッド（１４０）における過渡事象を識別し、特定の継続時間の間、電気的周波数の変化率が第１の特定された値を超え、加速度の変化率が第２の特定された値を超えるときに、グリッド（１４０）における過渡事象から回復するための作用をトリガするように構成されたコントローラ（１１０）と、
を含むシステム。
［実施態様９］
コントローラ（１１０）は、発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）との処理に基づいて、軸線の加速度の変化率を決定するように構成されている、実施態様８記載のシステム。
［実施態様１０］
コントローラ（１１０）は、処理された値を得るために発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）とのそれぞれを処理し、処理された値の和をさらにフィルタリングする、実施態様９記載のシステム。
［実施態様１１］
コントローラ（１１０）は、発電機（１３０）における電力の処理に基づいて、電力の積分を決定し、和のフィルタリングに基づいて、機械的動力の積分を決定する、実施態様１０記載のシステム。
［実施態様１２］
コントローラ（１１０）は、機械的動力の積分と電力の積分との間の差に基づいて、軸線の加速度の変化率を決定する、実施態様１１記載のシステム。
［実施態様１３］
コントローラ（１１０）は、さらに、短絡を識別するように構成されている、実施態様８記載のシステム。
［実施態様１４］
コントローラ（１１０）は、短絡が識別されるときの作用のトリガを無効にするための無効信号（２７０）を出力する、実施態様１３記載のシステム。
［実施態様１５］
発電システム（１００）における発電機（１３０）に結合されたコントローラ（１１０）であって、
測定データを受信するように構成された入力インターフェースと、
命令を記憶するように構成されたメモリデバイスと、
測定データに基づいて発電機（１３０）の端子における電気的周波数の変化率を感知すること、原動機（１５０）を発電機（１３０）に結合する軸線の加速度の変化率を決定すること、加速度の変化率に基づいてグリッド（１４０）における過渡事象を識別すること、および、特定された継続時間の間、電気的周波数の変化率が第１の特定された値を超え、軸線加速度の変化率が第２の特定された値を超えるときに、グリッド（１４０）における過渡事象から回復するための作用をトリガすることに基づいて、グリッド（１４０）における過渡事象の後で発電システム（１００）を制御する命令を処理するように構成されたプロセッサ（３０３）と、
を含むコントローラ（１１０）。
［実施態様１６］
プロセッサ（３０３）が、発電機（１３０）における電力と周波数信号（３０５）とを処理することに基づいて、軸線の加速度の変化率を決定するように構成されている、実施態様１５記載のコントローラ（１１０）。
［実施態様１７］
プロセッサ（３０３）が、さらに、短絡を識別するように構成されている、実施態様１５記載のコントローラ（１１０）。
［実施態様１８］
プロセッサ（３０３）が、短絡が識別されると、作用のトリガを無効にする無効信号（２７０）を発する、実施態様１７記載のコントローラ（１１０）。
【符号の説明】
【００２３】
１００  発電システム
１１０  励磁機コントローラ
１１２  入力インターフェース
１１４  プロセッサ
１１６  メモリデバイス
１１８  出力インターフェース
１２０  励磁機
１３０  発電機
１４０  グリッド
１５０  ガスタービン
１６０  タービンコントローラ
２１０  発電機の端子において電気的周波数の変化率を感知する
２２０  機械的動力と電力との差を計算する
２３０  短絡を識別する
２４０  軸線加速度の変化率を決定する
２５０  脱同期化のための電位を決定する
２６０  作用をトリガするための閾値が満たされているかどうかを決定する
３００  プロセスフロー
３０１  発電機電力
３０３  プロセッサ
３０５  周波数信号
３０７  ウォッシュアウトフィルタ
３１０  プロセッサの出力
３２０  ウォッシュアウトフィルタの出力
３３０  和の出力
３３５  ランプトラックフィルタ
３４０  ランプトラックフィルタの出力
３５０  差の出力
【図１】
0006506782.tif 000007
【図２】
0006506782.tif 000008
【図３】
0006506782.tif 000009