(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁器（５４）を備えた交流発電機（６２）と、
第１の周波数で第１の電圧を発生させるように構成されたブラシレス永久磁石発電機電圧源（４０）と、
第２の周波数で第２の電圧を発生させるように構成された第２の電圧源と、
コイル（５３）と、
を備えた交流発電システムであって、
前記ブラシレス永久磁石発電機電圧源（４０）は、前記コイル（５３）における前記第２の電圧と組み合わせて補助的な電圧供給として前記第１の電圧を与えて、前記交流発電機（６２）の前記励磁器（５４）によって受け取られる一定の励磁器場（５２）を発生させる、
交流発電システム。
【請求項２】
前記第２の電圧源は、電圧供給として三相交流電圧を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
直流バスに結合された第１の全波ブリッジ整流器であって、前記ブラシレス永久磁石発電機電圧源（４０）の出力を受け取る第１の全波ブリッジ整流器と、前記直流バスに結合された第２の全波ブリッジ整流器であって、前記第２の電圧源の出力を受け取る第２の全波ブリッジ整流器とを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の全波ブリッジ整流器および前記第２の全波ブリッジ整流器は、前記ブラシレス永久磁石発電機電圧源（４０）と前記第２の電圧源の両方に電圧を逆に給電するのを防ぐ阻止機構を備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
分離型の電力計器用変圧器を備え、前記補助的な電圧供給が前記分離型の電力計器用変圧器の入力へ供給され、前記分離型の電力計器用変圧器が前記第２の電圧源から分離されているとともに前記ブラシレス永久磁石発電機電圧源（４０）の前記出力を補う分離した三相交流電圧信号を発生させる、請求項３または４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の電圧源は直流電池源であり、前記第２の電圧源は前記コイル（５３）において直流電圧を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記補助的な電圧供給は、前記交流発電システムに結合されたグリッドに負荷を受け入れると約５０ｍ秒以内に電圧を与えて前記第２の電圧源の前記出力における電圧降下を緩和する、請求項３から５のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記ブラシレス永久磁石発電機電圧源（４０）は約１５０Ｈｚで前記第１の電圧を発生させ、前記第２の電圧源は約５０Ｈｚで前記第２の電圧を発生させる、請求項１から５のいずれかまたは請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
自動電圧調整器（４８）を備えており、前記自動電圧調整器（４８）は、１つまたは複数の全波ブリッジ整流器と自動電圧調整器（４８）コントローラとを備え、前記自動電圧調整器（４８）は、前記一定の励磁器場（５２）のコイル（５３）への電圧印加を制御して前記一定の励磁器場（５２）の大きさを変える、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記自動電圧調整器（４８）は、前記交流発電機（６２）の出力の電圧レベルおよび電流レベルに基づいて前記一定の励磁器場（５２）の前記コイル（５３）への前記電圧印加を制御する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
自動電圧調整器（４８）であって、前記自動電圧調整器（４８）は励磁器場（５２）のコイル（５３）に入る電圧を制御するものであり、
異なる周波数で永久磁石発電機および第２の電圧源から受け取った電圧入力を整流化するとともに、
直流バスへ電圧を供給する
ように構成された電力変換装置（４６）と、
交流発電機（６２）の出力からのデータを受け取るとともに、
前記交流発電機（６２）の前記出力から受け取った前記データに基づいて前記直流バスにおいて前記電圧を前記励磁器場（５２）の前記コイル（５３）へ印加することを制御する
ように構成された自動電圧調整器コントローラ（５０）と、
を備えた、自動電圧調整器（４８）を備えたデバイス。
【請求項１２】
前記電力変換装置（４６）は、受け取った電圧入力を整流化する整流器を備える、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記整流器は、少なくとも１つの全波ブリッジ整流器を備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
１つまたは複数のトランジスタを備え、前記自動電圧調整器コントローラ（５０）は、前記直流バスに沿って前記１つまたは複数のトランジスタへ信号を供給し、前記励磁器場（５２）の前記コイル（５３）へ印加された前記電圧を制御する、請求項１１から１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記電力変換装置（４６）は、前記永久磁石発電機から入力された前記電圧を整流化する全波ブリッジ整流器を備える、請求項１１から１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
交流発電機（６２）の出力を制御する方法であって、
自動電圧調整器（４８）においてブラシレス永久磁石発電機（４０）および第２の電圧源からの電圧を受け取るステップであって、前記ブラシレス永久磁石発電機（４０）から受け取った前記電圧は、前記第２の電圧源から受け取った前記電圧とは異なる周波数を有する、受け取るステップと、
前記自動電圧調整器（４８）において前記交流発電機（６２）の前記出力の電流レベルおよび電圧レベルを示す信号を受け取るステップと、
励磁器場（５２）のコイル（５３）における前記ブラシレス永久磁石発電機（４０）および前記第２の電圧源からの前記電圧の印加を制御して前記励磁器場（５２）の大きさを変えるステップであって、前記励磁器場（５２）が前記交流発電機（６２）内の交流励磁器（５４）を励磁させ、前記交流励磁器（５４）が前記交流発電機（６２）の発生場を制御し、前記発生場が前記交流発電機（６２）の前記出力を制御する、大きさを変えるステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
２つの全波ブリッジ整流器を介して前記ブラシレス永久磁石発電機および前記第２の電圧源から受け取った前記電圧を整流化するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記励磁器場（５２）の前記コイル（５３）を含む回路に配置された１つまたは複数のトランジスタへ前記自動電圧調整器（４８）についての信号を供給するステップは、前記励磁器場（５２）の前記コイル（５３）において前記ブラシレス永久磁石発電機（４０）および前記第２の電圧源からの前記電圧の前記印加を制御する、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記交流発電機（６２）の前記出力の前記電流レベルおよび前記電圧レベルを示す前記信号は、前記トランジスタを制御するのに使用される値を与える、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の電圧源からの電圧を受け取るステップは、分離型の電力計器用変圧器を介して前記第２の電圧源から分離されている分離した三相電圧信号を受け取ることを含む、請求項１６から１９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、一般に、発電分野に関する。より具体的には、主題は、交流（ＡＣ）発電システムについての負荷受入れ特性を改善するための技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電分野では、広範なシステムが知られており、電力を負荷に変換、生成、および印加するのに現在利用可能である。応用に応じて、ＡＣ発電システムは、負荷によって使用されるときにある形態から別の形態へ入力電力を変換する回路を含むことができる。例えば、典型的なＡＣ発電システムでは、整流器は、（発電機からなどの）交流（ＡＣ）電力を直流（ＤＣ）電力へ変換する。次いで、ＤＣ電力は、回転コイルに加えられて、ＡＣ発電機の固定コイルを励磁し制御可能なＡＣ出力を生成する励磁器場を作り出すことができる。
【０００３】
従来から、永久磁石発電機（ＰＭＧ）は、ＡＣ発電システムの励磁器場のための電源として使用することができる。しかしながら、ＡＣ発電システムのグリッドに新しい負荷を受け取ると、ＰＭＧによって供給された電圧は、実質的に減衰し、グリッドを安定化させるのに遅い応答時間になり得る。したがって、ＰＭＧの減衰に関連した電圧ドループの緩和および／または排除を可能にするシステムおよび技法を開発することが有利であり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４６２２６２９号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本来請求した主題を有する範囲内に対応するいくつかの実施形態について、以下概要を説明する。これらの実施形態は、請求した主題の範囲を限定するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本主題の可能性ある形態の概要を与えるものに過ぎないものである。実際、本主題は、以下に記載の実施形態と同様であり得るまたは異なり得る様々な形態を包含することができる。
【０００６】
第１の実施形態では、交流発電システムは、励磁器を備えた交流発電機と、第１の周波数で第１の電圧を発生させるように構成されたブラシレス永久磁石発電機電圧源と、第２の周波数で第２の電圧を発生させるように構成された第２の電圧源と、コイルと、を備えており、ブラシレス永久磁石発電機電圧源は、コイルにおける第２の電圧と組み合わせて補助的な電圧供給として第１の電圧を与えて、交流発電機の励磁器によって受け取られる一定の励磁器場を発生させる。
【０００７】
第２の実施形態では、デバイスは、自動電圧調整器を備え、本明細書において、自動電圧調整器は励磁器場のコイルに入る電圧を制御するものであり、自動電圧調整器は、異なる周波数で永久磁石発電機および第２の電圧源から受け取った電圧入力を整流化するとともに、直流バスへ電圧を供給するように構成された電力変換装置を備える。自動電圧調整器は、交流発電機の出力からのデータを受け取るとともに、交流発電機の出力から受け取ったデータに基づいて直流バスにおいて電圧を励磁器場のコイルへ印加することを制御するようにも構成された自動電圧調整器コントローラも備える。
【０００８】
第３の実施形態では、交流発電機の出力を制御する方法は、自動電圧調整器においてブラシレス永久磁石発電機および第２の電圧源からの電圧を受け取るステップであって、ブラシレス永久磁石発電機から受け取った電圧は、第２の電圧源から受け取った電圧とは異なる周波数を有する、受け取るステップと、自動電圧調整器において交流発電機の出力の電流レベルおよび電圧レベルを示す信号を受け取るステップと、励磁器場のコイルにおけるブラシレス永久磁石発電機および第２の電圧源からの電圧の印加を制御して励磁器場の大きさを変えるステップであって、励磁器場が交流発電機内の交流励磁器を励磁させ、交流励磁器が交流発電機の発生場を制御し、発生場が交流発電機の出力を制御する、大きさを変えるステップとを含む。
【０００９】
本主題のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより良く理解されよう。図面全体を通じて、同じ参照符号は、同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態によるエネルギー発生、送電、配電インフラシステムのブロック図である。
【図２】一実施形態による図１のシステムに使用するための交流（ＡＣ）発電システムのブロック図である。
【図３】一実施形態による図２に示されたＡＣ発電システムの電力変換装置のダイオード整流器のブロック図である。
【図４】一実施形態による図２に示されたＡＣ発電システムの自動電圧調整器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本主題の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、実際の実施の必ずしも全ての特徴が、本明細書中に記載されていないのではない可能性がある。あらゆるエンジニアリングまたは設計プロジェクトにあるような何らかのそのような実際の実施の開発では、システム関連の制約、およびビジネス関連の制約の尊守など開発者の特定の目標を実現するために実施に特有の多数の決定がなされなければならず、これは実施により異なり得ることを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかり得るが、それにもかかわらずこの開示の利益を有する当業者にとって設計、製作、および製造に関する日常的な作業であることを理解されたい。
【００１２】
本主題の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、要素の１つまたは複数があることを意味することが意図される。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であり、挙げた要素以外の追加の要素があり得ることを意味することが意図される。
【００１３】
本主題は、グリッドに新しい負荷を受け入れるとＡＣ発電システムの電力出力の変化を補償するために、電気グリッド上の交流（ＡＣ）発電システムを制御することを伴う。ＡＣ発電システムの励磁器場のコイルに供給される電圧は、ＡＣ発電システムが新しい負荷を受け入れたことに応答することができる速度を決定することができる。したがって、励磁器場の主電源を補うために励磁器場のコイルにおいて定電圧源を用意することが有利でありうる。定電圧源は、コイルに供給される電圧を上昇させることができ、ＡＣ発電システムがグリッドに新しい負荷を受け入れたことに基づいて電力出力を変化させることを可能にする。例えば、応答時間を改善するために、永久磁石発電機（ＰＭＧ）が、第２の電圧源の遅い電圧出力を補償するために、第２の電圧源と並列に定電位を有する補助電圧源を用意することができる。このように、負荷追加の応答時間は、改善することができる。さらに、ＰＭＧの電圧出力および第２の電圧源の出力は全波ブリッジ整流器をそれぞれ通過して電圧出力を励磁器場に結合されたＤＣバスに向かって進めるとともに一方の電圧源から他方の電圧源への電圧の逆給電を防ぐことが望ましいものであり得る。
【００１４】
以上のことを念頭に置いた上で、図１に示されたスマートグリッドシステム１０の一例などのインフラの一実施形態を説明することは役立ち得る。本明細書中に記載したシステムおよび方法は、限定するものではないが、送電インフラおよび配電インフラを含む様々なインフラに適用することができることに留意されたい。図示されるように、スマートグリッドシステム１０は、１つまたは複数の設備１２を含むことができる。設備１２は、スマートグリッドシステム１０の監督動作を行うことができる。例えば、設備制御センタ１４は、１つまたは複数の発電所１６および代替の発電所１８によって生成された電力を監視し誘導することができる。発電所１６は、ガス、石炭、バイオマス、および他の燃料用の炭素を含む生成物を用いる発電所などの従来の発電所を含むことができる。代替の発電所１８は、電気を生成するためにソーラーパワー、風力、水力、地熱、および他の代替のパワー源（例えば、再生可能エネルギー）を用いる発電所を含むことができる。他のインフラ構成要素は、水力発生プラント２０、および地熱発生プラント２２を含むことができる。例えば、水力発生プラント２０は水力発電をもたらすことができ、地熱発生プラント２２は地熱発電をもたらすことができる。
【００１５】
発電所１６、１８、２０、および２２によって発生した電力は、送電グリッド２４を通じて伝送することができる。送電グリッド２４は、１つまたは複数の自治体、州、または国などの幅広い地理学的な１つまたは複数の領域を覆うことができる。伝送グリッド２４は、単相交流（ＡＣ）システムとすることもできるが、最も一般的には、三相ＡＣ電流システムであり得る。図示されるように、送電グリッド２４は、直列の架空電気導体を支持する直列のタワーを様々な構成で備えることができる。例えば、非常に高い電圧（ＥＨＶ）の導体は、三相のそれぞれについての導体を有する３つの導体の束で配置することができる。送電グリッド２４は、１１０キロボルト（ｋＶ）から７６５キロボルト（ｋＶ）の範囲内の公称システム電圧をサポートすることができる。示された実施形態では、送電グリッド２４は、配電変電所およびグリッド２６に電気的に結合することができる。配電変電所およびグリッド２６は、入力電力電圧を伝送電圧（例えば、７６５ｋＶ、５００ｋＶ、３４５ｋＶ、または１３８ｋＶ）から一次配電電圧（例えば、１３．８ｋＶ、または４１６０Ｖ）および二次配電電圧（例えば、４８０Ｖ、２４０Ｖ、または１２０Ｖ）配電電圧へ変換するための変圧器を備えることができる。例えば、工業的な電力の消費者（例えば、製造プラント）は、１３．８ｋＶの一次配電電圧を使用することができ、一方、商業および住居の消費者へ送られた電力は、１２０Ｖから４８０Ｖの二次配電電圧範囲内とすることができる。
【００１６】
図１にやはり示されるように、送電グリッド２４および配電変電所およびグリッド２６は、スマートグリッドシステム１０の一部であり得る。したがって、送電グリッド２４および配電変電所２６は、発電機、スイッチ、回路遮断器、リクローザ等などのパワーエレクロニクス機器を制御するために様々なデジタル技術および自動化技術を含むことができる。送電グリッド２４および配電変電所およびグリッド２６は、様々な通信デバイス、モニタリングデバイス、および記録デバイス、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）および電気故障感知保護継電器などを含むこともできる。例えば、嵐の間、グリッド２６上の保護継電器は、変電所の下流の電気的故障を検出し、回路遮断器を動作させることができ、それによって故障が解消し電力を回復することを可能にする。いくつかの実施形態では、送電グリッド２４および配電変電所およびグリッド２６は、メータリングシステム３０に要求される電気負荷の変更などの電力および通信データを届けることもできる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、メータリングシステム３０は、電力の使用および／または発生を収集、測定、および解析するために使用されるアドバンスドメータリングシステム（ＡＭＩ）のメータであり得る。メータリングシステム３０は、送電グリッド２４、配電変電所およびグリッド２６、ならびに商用サイト３２および住居３４を含むスマートグリッド１０の構成要素のうちの１つまたは複数に源側および負荷側の通電導体および中性導体３６を介して電気的および通信的に結合することができる。さらに、メータリングシステム３０は、商用サイト３２、住居３４、および設備制御センタ１４間の双方向通信を可能にし、消費者行動と電力の使用および／または発生との間の関連をもたらすことができる。例えば、メータリングシステム３０は、プリペイド携帯電話の使用と同様のやり方でプリペイド電気を追跡し明らかにすることができる。同様に、設備の消費者（例えば、商用サイト３２、住居３４）は、例えば、低需要の時間中により低い料金を利用するために、それらの設備の使用を最適化することによってより低い設備料金から利益を得ることができる。洗濯機／ドライヤ、電気自動車の充電器、および他のフレキシブルな電力消費機器は、低需要時間中に動作するようにプログラムすることができ、その結果、設備の請求金額が低くなり、エネルギーの利用がよりバランスのとれたものとなる。上述したように、電力は、消費者（例えば、商用サイト３２、住居３４）によって発生させることもできる。例えば、消費者は、分散型発電（ＤＧ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）源（例えば、ソーラーパネル、または風力タービン）に相互接続して電力を発生させこれをスマートグリッド１０に届けることができる。
【００１８】
さらに理解されるように、いくつかの実施形態では、メータリングシステム３０は、例えば、ディスプレイ、１つまたは複数のプロセッサ、メモリおよび同様の記憶デバイス、センサ、改ざん検出器等などの電気部品および電子部品のシステムを含むことができる。メータリングシステム３０は、皮相電力（ｋＶＡ）、有効電力（すなわち、一定期間にわたって所与の負荷３２、３４の抵抗部品によって消費される総電力）（ｋＷ）、および無効電力（すなわち、一定期間にわたって所与の負荷３２、３４のリアクタンス部品によって消費される電力）（ｋＶａｒ）を電力と時間の積として測定、計算、記憶、および表示することができることも理解されたい。例えば、電気設備は、請求書作成および／またはクレジットカード処理のために、キロワット時（ｋＷｈ）当たりのそれらの使用および／または発生を消費者へ報告することができる。そのようなメータリングシステム３０は、送電グリッド２４内で生じる過電圧の事象に影響を受けやすい可能性のある構成部品を含み得る。したがって、メータリングシステム３０の電気部品および電子部品を保護するための方法は、過電圧の事象が生じると交換費用を制限するのに役立ち得る。
【００１９】
次に図２に移ると、ＡＣ発電システム３８のブロック図が示されている。いくつかの従来の運転では、発電システムは、ＡＣ発電機用の標準的な励磁システムとしてブラシレス永久磁石発電機（ＰＭＧ）４０を使用していた。しかしながら、グリッドのイベント中に、ＰＭＧ４０がスマートグリッドシステム１０を安定化するための応答時間は、グリッドのオペレータにとって重要な考慮事項であり得る。グリッドのイベントは、スマートグリッドシステム１０へ新しい負荷を追加すること、スマートグリッドシステム１０の中への電力サージ、スマートグリッドシステム１０の一部の停電、またはＡＣ発電システム３８の出力に影響を及ぼし得る電気グリッドにおける任意の他の出来事を含み得ることが理解できよう。さらに、典型的には、標準的な励磁システム（例えば、ブラシレスＰＭＧ４０）を用いる故障状況用の負荷遮断能力はない。しかしながら、ブラシレスＰＭＧ４０を含んだ標準的な励磁システムは、故障に対する耐性があり得る。故障に対する耐性は、故障状況（例えば、グリッドのイベント）中の標準的な励磁システムによる遅い応答時間にも関わらず運転し続けるＡＣ発電システム３８の能力として定義することができる。
【００２０】
ＡＣ発電システム３８の他の実施形態は、従来のブラシレスＰＭＧ４０と共にスリップリングを使用することを含むことができる。しかしながら、スリップリング方法の使用は、特別な発電機および特別な自動電圧調整器を必要とするので費用を増大させ得る。また、典型的には、スリップリングの使用は、故障に対する耐性の能力を欠く。それにもかかわらず、ブラシレスＰＭＧ４０と併せたスリップリングの使用は、負荷遮断能力を可能にし、高速初期応答に対応している。高速初期応答は、励磁システムが１００ｍ秒未満で安定化するときに励磁システムがＩＥＥＥ規格４２１．１の下で準拠していると考えられる励磁システムの規格である。
【００２１】
従来のスリップリングおよびブラシレスＰＭＧ４０の代わりに、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１が利用されてもよい。ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１は、負荷遮断能力、標準的なＰＭＧ４０を用いるよりも速い応答時間、高速初期応答適合、故障に対する耐性、および／または上述したスリップリングによる費用削減の１つまたは複数をもたらし得る。ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１は、以下により詳細に説明されている。
【００２２】
ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１におけるグリッドのイベント中のＰＭＧ４０の応答時間を強化するために、第２の電圧源は、三相モータ制御センタ（ＭＣＣ）４２から分離型の電力計器用変圧器（ＰＰＴ）４４の中に給電することができる。一例によれば、ＰＰＴ４４は、ＰＰＴ４４の一次巻き線がＭＣＣ４２から供給される７．５ｋＶＡ  ＰＰＴとすることができる。ＰＰＴ４４の二次巻き線の出力において与えられる電圧によって、定電圧源をブラシレスＰＭＧプラスシステム４１へ与えることができることに留意されたい。ＰＰＴ４４の出力は、ＰＭＧプラスシステム４１のための主電圧源を与えることができるが、ＰＭＧ４０は、補助的な電圧源を与えて負荷を受け入れるとブラシレスＰＭＧプラスシステム４１の応答時間を強化することができる。ＭＣＣ４２が故障したという場合には、補助的な電圧源（すなわち、ＰＭＧ４０）は、ＰＰＴ４４の電圧出力を置き換えることができることに留意されたい。さらに、補助的な電圧は、例えば、単一の電圧源の利用が潜在的な故障をもたらし得るグリッドのイベントが発生すると、例えば、ＰＭＧ４０からの電圧とＰＰＴ４４の出力からの電圧との両方が同時に実現されるようにＰＰＴ４４の出力に並列な一定の電圧出力を供給することができる。さらに、ＭＣＣ４２は、約５０Ｈｚで三相ＡＣ電圧信号を出力することができ、ＰＭＧ４０は、約１５０Ｈｚで二相ＡＣ電圧信号を出力することができる。このようにして、別個の電圧源は、異なる周波数で電圧信号を出力することができる。
【００２３】
ＡＣ発電システム３８は、グリッドのイベントに起因してＰＰＴ４４の落ち込む電圧を、（ＡＣ発電システム３８に結合された）スマートグリッドシステム１０からの負荷受入れが起こったときに高速初期応答をエミュレートするＰＭＧ４０の出力と共に利用することができる。高速初期応答は、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１が負荷を受け入れるとおよそ５０ｍ秒以内にスマートグリッド１０を安定化させることを可能にし得る。このようにして、荷を受け入れると、ＰＰＴ４４の落ち込む電圧から通常運転中に与えられる電圧への途切れることのない変換が生じ得る。途切れることのない変換は、グリッドのイベントの応答時間を加速する結果となり得る。
【００２４】
いくつかの実施形態では、分離型のＰＰＴ４４は、Ｙ−デルタ変換器からなり得る。Ｙ−デルタ変換器は、分離型のＰＰＴ４４のデルタ構成した二次巻き線における変圧器自己キャンセル自体の範囲内で高調波電圧の利点を有することができる。高調波電圧のキャンセルは、励磁システム（例えば、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１）の信頼性を強化し、電気的雑音に起因する装置の機能不良を減少させる。さらに、分離型のＰＰＴ４４は、ＡＣ発電システム３８からのＭＣＣ４２の分離を維持しつつ、ＭＣＣ４２がＡＣ電力を励磁システムへ供給することを可能にする。ＡＣ発電システム３８からのＭＣＣ４２の分離は、２つの電気システム４２と３８の間の電流を防ぐために有利であり得る。
【００２５】
代替として、ＭＣＣ４２およびＰＰＴ４４は、ＤＣ電池源によって置き換えられてもよい。すなわち、ＭＣＣ４２、ＰＰＴ４４、および任意のＡＣ電圧源のダイオード整流は、ＤＣ電池源を実装するときに取り除かれて、電圧供給を実現することができる。ＤＣ電池源は、ＭＣＣ４２が使用されていない、またはＭＣＣ４２がグリッドオペレータにとって便利でないときにシステムに使用され得る。
【００２６】
ＰＭＧ４０の出力およびＰＰＴ４４の出力は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）４８の電力変換装置４６の中に並列に供給することができる。前述したように、ＰＭＧ４０の出力は、スマートグリッドシステム１０から負荷を受け入れている最中に、ＰＰＴ４４の落ち込む電圧出力を補うようにＰＰＴ４４の出力に並列に与えることができる。電力変換装置４６は、ＡＶＲコントローラ５０によって制御されているスイッチ（例えば、集積ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））を含むことができる。さらに、以下により詳細に説明されるように、ＩＧＢＴは、励磁システムについての故障制御、および励磁器場５２に印加された電圧についての電圧調整を行うことができる。電力変換装置４６は、ＰＭＧ４０の出力とＰＰＴ４４の出力の両方についての全波ブリッジ整流器も含むことができる。以下詳細に述べられるように、全波ブリッジ整流器は、ＰＭＧ４０で発生しＭＣＣ４２によって与えられたＡＣ電力を励磁器場５２へ与えられた直流（ＤＣ）出力へ変換することができる。さらに、全波ブリッジ整流器内のダイオードは、ＤＣ出力のためのステアリング機構も設けることができ、それによってＤＣ出力は、励磁器場５２のＤＣバスへ供給することができ、その結果ＤＣ出力は、ＰＭＧ４０またはＰＰＴ４４の中に供給されることが阻止される。
【００２７】
ＰＭＧ４０の出力およびＰＰＴ４４の出力が、電力変換装置４６によって整流されると、ＤＣ出力は、コイル５３に供給されて励磁器場５２を発生させることができる。励磁器場５２は、ＡＣ励磁器５４の場コイルを励磁させる磁場とすることができる。ＡＣ励磁器５４の磁場コイルが励磁された後、回転磁石５６は、回転ダイオードホイール５８を次に供給することができるＡＣ励磁器５４からのＡＣ出力を生成することができる。回転ダイオードホイール５８は、ＡＣ励磁器５４からのＡＣ出力を整流することができ、コイルに入ることができるＤＣ出力を生成して発電機界磁６０を発生させる。さらに、発電機界磁６０は、ＡＣ発電機６２内で回転することができる。発電機界磁６０は、発電機界磁６０のコイルを通る電流に比例した磁場を与えることができる。
【００２８】
さらに、ＡＣ発電機６２は、発電機界磁６０の磁場に比例したＡＣ出力６４を生成することができる。したがって、ＡＣ出力６４における電力の増加は、発電機界磁６０の磁場を増大させることによって達成することができる。さらに、発電機界磁６０の磁場は、励磁器場５２の磁場を増大させることによって同様に増大させることができる。最後に、励磁器場５２の磁場は、ＰＭＧ４０およびＰＰＴ４４によって供給される出力に基づいて変わりうる。
【００２９】
以上のことを念頭に置いた上で、変流器６６および計器用変圧器６８は、ＡＣ発電機６２の出力６４に配置することができる。変流器６６および計器用変圧器６８は、電流測定値および電圧測定値をＡＶＲコントローラ５０へ与えてＡＣ発電機６２による電力出力の量を決定することができる。次いで、ＡＶＲコントローラ５０は、電流測定値および電圧測定値を使用して励磁器場５２のコイル５３に入る電流を調整することができ、これはＡＣ発電機６２の出力６４を制御することができる。変流器６６および計器用変圧器６８が出力６８における電力が低下したことを示したとき、ＰＭＧ４０の出力およびＰＰＴ４４の出力は、励磁器場５２のコイル５３において十分な電圧を与えて、出力６８における電力を、例えば高速初期応答規格の要件を満たすやり方で許容可能なレベルへドライブすることができる。
【００３０】
図２に関連して上記した例は、ＭＣＣ４２がコイル５３へ主電圧源を与え、ＰＭＧ４０がコイル５３へ補助的な電圧源を与える実施形態を説明する。しかしながら、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１は、コイル５３への主電圧源として機能するＰＭＧ４０、およびコイル５３への補助的な電圧源として機能するＭＣＣ４２と共に動作するように構成することもできることに留意されたい。そのような実施形態では、ＭＣＣ４２は、上述のものと同様のやり方でグリッドのイベントを受けると、コイル５３へのＰＭＧ４０によって補助的な電圧を与えて遅い電圧出力を補うことができる。したがって、いくつかの実施形態では、例えば、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１が補償できないグリッドシステム１０に負荷が加えられるなど、グリッドが不安定化するイベントまたは他の電力イベントが生じると、ＰＭＧ４０またはＭＣＣ４２のいずれかは、単独の電圧源として動作することができ、他方の源は補助または補助的な電圧源として動作する。
【００３１】
図３へ進むと、電力変換装置４６内のダイオード整流器７０のブロック図が示されている。上述したように、ダイオード整流器７０は、ダイオード整流器７０によって受け取られたＡＣ入力をダイオード整流器７０からＤＣ出力に変換することができる。ＰＰＴ４４は、ＡＣ信号をダイオード７２および７４へ入力することができる。ダイオード７２は、順方向バイアスすることができ、一方、ダイオード７４は、ＡＣ入力の方向へ逆方向バイアスすることができる。順方向バイアスされたダイオード７２については、ＰＰＴ４４から発したＡＣ正弦波の正の部分は、電力変換装置４６の正のバス７６へ通ることができる。さらに、逆方向バイアスダイード７４は、ＰＰＴ４４から発したＡＣ正弦波の負の部分が電力変換装置４６の負のバス７８へ通ることを可能にすることができる。結果として、ＰＰＴ４４からの三相ＡＣ信号の全波整流となり得る。
【００３２】
さらに、順方向バイアスダイオード８０および逆方向バイアスダイード８２は、ＰＭＧ４０の単相ＡＣ出力の全波整流を与えることができる。ダイオード７２および７４と同様に、ダイオード８０および８２は、正のバス７６および負のバス７８へ整流ＡＣ信号を出力することができる。いくつかの実施形態では、必要であれば、正のバス７６および負のバス７８に結合されたさらなる構成要素を利用することができる。ＰＭＧ４０とＰＰＴ４４の両方の整流された出力をさらにコンディショニングしてＤＣ信号をより近く表す信号を生成する。さらに、励磁器場５２のコイル５３へＡＣ信号を印加するだけだと、所望のレベルへ充電するようにコイル５３を励磁させないとき、ＤＣ信号は、励磁器場５２のコイル５３を充電して所望の磁場強度を発生させることができる。
【００３３】
さらに、ダイオード７２、７４、８０、および８２は、ＰＰＴ４４およびＰＭＧ４０から与えられた電力を正のバス７６および負のバス７８に向けるように機能することができる。さらに、ダイオード７２および７４は、ＰＭＧ４０からの電力がＰＰＴ４４に給電するのを阻止することができる。同様に、ダイオード８０および８２は、ＰＰＴ４４からの電圧がＰＭＧ４０に給電するのを阻止することができる。したがって、ダイオード７２、７４、８０、および８２は、ＰＭＧ４０またはＰＰＴ４４へのフィードバックを制限する働きもすることができる。
【００３４】
また、いくつかの実施形態では、スイッチ（図示せず）は、電圧源４０、４４を正のバス７６および負のバス７８へ印加することを制御するためにダイオード整流器７０と併せて利用することができる。スイッチは、ＰＭＧ４０およびＰＰＴ４４の出力の一方または両方からの整流ＡＣ信号を正のバス７６および負のバス７８へ選択的に印加することができる。ＡＶＲコントローラ５０は、グリッドのイベント中にスイッチを動作させて最大の電圧供給を出力する電圧源４０または４４を選択することができる。さらに、スイッチは、適切なスイッチング機能を達成することができるとともにＡＶＲコントローラ５０によって制御可能であるトランジスタ、または任意の他のスイッチング部品を備えることができる。
【００３５】
図４は、ＡＶＲ４８のブロック図である。上述したように、ＡＶＲ４８は、ＡＣ発電機６２の出力６４における電力レベルに基づいて励磁器場５２のコイル５３に印加された電圧を制御することができる。図示されるように、正のバス７６および負のバス７８へのダイオード整流器７０の出力は、励磁器場５２のコイル５３へ結合することができる。整流ＡＣ信号がダイオード整流器７０から電力変換装置４６の電圧制御部に入ると、ＡＣ信号は、正のバス７６と負のバス７８の間に結合された蓄電キャパシタ８４に出合うことができる。さらに、いくつかの実施形態では、蓄電キャパシタ８４は、整流ＡＣ信号をより多くの連続したＤＣ信号に滑らかにする機能を果たすことができる。
【００３６】
ダイオード整流器７０が信号を整流した後、キャパシタ８４は、ＡＣ信号からＤＣ信号へのＰＭＧ４０およびＰＰＴ４４の電圧出力の返還を完了することができる。さらに、接触器８６は、正のバス７６に配置することができる。接触器８６は、ＡＶＲコントローラ５０によって制御することができ、それは、エラーが生じておりシステムはシャットダウンされるべきであることを示すＡＶＲコントローラ５０への信号を開くように合図され得る。例えば、スマートグリッドシステム１０で停電が起こった場合、ＡＶＲコントローラ５０は、接触器８６を開くように信号を受け取ることができる。接触器８６が開かれるとき、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１は、さらなる電圧を励磁器場５２のコイル５３へ供給するのをやめることができる。さらに、接触器８６は、一般に閉じた位置のままであることに留意されたい。また、接触器８６は、ブラシレスＰＭＧプラスシステム４１が補償できないグリッドシステム１０に加えられた負荷などの任意の他の重大な故障の指示によって開くように指令され得る。
【００３７】
さらに、ＩＧＢＴ８８および９０は、励磁器場５２の磁場を制御するようにＡＶＲコントローラ５０によって制御することができる。上述したように、励磁器場５２の磁場は、励磁器場５２のコイル５３によって供給された一定の電圧レベルによって発生することができる。さらに、励磁器場５２は、負荷の値がＡＣ発電機６２の出力６４を生成するように変わりながら、ＡＣ励磁器５４を所定のレベルまで励磁させることができる。したがって、励磁器場５２のコイル５３に与えられた電圧は、励磁器場５２の大きさを制御することができる。励磁器場５２のコイル５３に供給された電圧のエンゲージおよびエンゲージ解除は、ＡＶＲコントローラ５０が励磁器場５２の磁場を所望のレベルで維持することを可能にすることができる。また、ＩＧＢＴ８８および９０は、変流器６６および計器用変圧器６８によって与えられたＡＣ発電機出力６４の大きさに基づいて制御することができる。例えば、ＡＣ発電機６２によって生成された電流または電圧が遅いものであり得ることを示す信号に基づいて、ＡＶＲコントローラ５０は、ＩＧＢＴ８８および９０に励磁器場５２の磁場の強度を増加させるようにアクティブを維持させるように命令することができる。励磁器場５２の大きさの増加は、発生場６０の磁場の大きさを増加させることができ、ＡＣ発電機６２による電力生成の増加という結果になり得る。
【００３８】
さらに、ＰＰＴ４４は、励磁器場５２のために補助電源として機能することができる。励磁器場５２のコイル５３における電流の上昇の割合（ｄｉ／ｄｔ）は、ＰＭＧ４０の電圧出力の直接の機能であり得る。グリッドのイベント中、またはスマートグリッド１０の初期負荷中、ＰＭＧ４０の出力電圧は、出力電圧がグリッドのイベントまたはスマートグリッド１０の負荷の前のレベルに相当するレベルまで戻る前に、４０％ほど減少し得る。そのようなイベント中、ＰＰＴ４４は、ＰＭＧ４０の減少した出力電圧を補償するように補助電圧源を与えることができる。ＰＰＴ４４によって印加される追加の電圧は、負荷受入れ中に一定の磁場を生成するように励磁器場５２のコイル５３にとって十分な電圧を与えることができる。さらに、励磁器場５２のコイル５３のｄｉ／ｄｔは、ＰＰＴ４４から与えられる追加の電圧より大きいものであり得る。一般に、励磁器場５２のコイル５３によって供給される電圧が高くなるほど、ｄｉ／ｄｔはより速く上昇し得る。
【００３９】
さらに、ＩＧＢＴ９２は、負荷遮断のための機構を与えることができる。接触器８６を開く代わりに、ＡＣ発電機６２において電力発生中に、ＡＶＲコントローラ５０への信号が深刻な故障状況を示すと、まず、ＩＧＢＴ９２は、正のバス７６から負のバス７８への短絡をもたらすように活性化され得る。この短絡は、接触器８６を開く前にＡＣ発電機６２の馬力をゼロまで減少させることを可能にし得る。したがって、ＡＶＲコントローラ５０は、ＩＧＢＴ９２において短絡をもたらすようにプログラムされ、次いで接触器８６を開く前に予めプログラムされた量の時間待つことができる。例えば、ＩＧＢＴ９２にわたっての短絡は、励磁器場５２のコイル５３が５０ｍ秒間放電することが可能にすることができ、ＡＣ発電機６２の馬力を減少させる結果となる。５０ｍ秒後、励磁器場５２のコイル５３は、５０ｍ秒間の放電がされてもよく、接触器８６は、ＡＶＲコントローラ５０によって開かれ、励磁器場５２のコイル５３からＰＭＧ４０およびＰＰＴ４４の電源を放電することができる。
【００４０】
本開示の技術的効果は、励磁器場５２のついての定電位励磁システムの負荷受入れおよび阻止特性の強化を含む。定電位励磁システムは、ＰＰＴ４４を補助電圧源として定電位励磁システムに組み込むことによって負荷受入れ特性を強化し、負荷受入れに関する高速初期応答を改善することができる。さらに、定電位励磁システムの負荷遮断特性は、上記のやり方で、ＡＶＲコントローラ５０、接触器８６、およびＩＧＢＴ９２を用いて制御された負荷遮断を与えることができる。
【００４１】
本明細書は、例を用いて最良の形態を含む主題を開示し、任意の装置またはシステムを作製および使用し、任意の組み込まれた方法を実行するなど当業者が主題を実施することも可能にする。本主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言からわずかに異なる均等な構成要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００４２】
１０  スマートグリッドシステム、グリッドシステム、スマートグリッド
１２  設備
１４  設備制御センタ
１６  発電所
１８  代替の発電所、発電所
２０  水力発生プラント、発電所
２２  地熱発生プラント、発電所
２４  送電グリッド、伝送グリッド
２６  配電変電所およびグリッド、グリッド、配電変電所
３０  メータリングシステム
３２  商用サイト、所与の負荷
３４  住居、所与の負荷
３６  導体
３８  ＡＣ発電システム、電気システム
４０  ブラシレス永久磁石発電機（ＰＭＧ）、ブラシレスＰＭＧ、ＰＭＧ、電圧源
４１  ブラシレスＰＭＧプラスシステム、ＰＭＧプラスシステム
４２  三相モータ制御センタ（ＭＣＣ）、電気システム
４４  分離型の電力計器用変圧器（ＰＰＴ）、分離型のＰＰＴ、ＰＰＴ、電圧源
４６  電力変換装置
４８  自動電圧調整器（ＡＶＲ）、ＡＶＲ
５０  ＡＶＲコントローラ
５２  励磁器場
５３  コイル
５４  ＡＣ励磁器
５６  回転磁石
５８  回転ダイオードホイール
６０  発電機界磁、発電機界磁
６２  ＡＣ発電機
６４  ＡＣ発電機出力、ＡＣ出力、出力
６６  変流器
６８  出力、計器用変圧器
７０  ダイオード整流器
７２  ダイオード
７４  ダイオード
７６  正のバス
７８  負のバス
８０  ダイオード
８２  ダイオード
８４  蓄電キャパシタ、キャパシタ
８６  接触器
８８  ＩＧＢＴ
９０  ＩＧＢＴ
９２  ＩＧＢＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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