(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機の保護を行う方法であって、
定格可能出力を表す関数発生器のフィードバック信号を捉える工程と、
温度センサ及び圧力センサの内の一方の出力を読取り、前記発電機の冷却材状態を決定する工程と、
前記冷却材状態に基づいて、該冷却材状態による発電機の性能の変化に従って補償値を決定する工程と、
前記補償値に基づいて、発電機の性能の変化を考慮する為に前記フィードバック信号を修正する工程と、
前記出力が最低閾値より高いかどうかを判断し、高くなければ、前記の補償値を決定する工程及びフィードバック信号を修正する工程を無効にする工程と、
を含む前記方法。
【請求項２】
更に、前記フィードバック信号に前記補償値を乗算する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
更に、前記発電機の可能出力曲線に基づいて、動作限界を反映する過励磁限界（ＯＥＬ）及び不足励磁限界（ＵＥＬ）の内の少なくとも１つを補償する工程と、前記ＵＥＬを近似する為に２つの部分から成る特性を用いる工程を含む請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
更に、前記発電機に付設された自動電圧調節器の設定点及び逆時間保護フィードバック信号の内の少なくとも１つを補償する工程を含む請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
蒸気タービン発電機及びガス燃焼発電機の内の少なくとも一方で作用し得る請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記出力が圧力センサの出力であり、前記発電機が蒸気タービン発電機である、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
更に、前記出力に倍率をかける工程を含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
更に、前記出力を前記発電機の定格値と加算する工程と、前記の加算する工程の結果を、冷却ガス圧力及び前記発電機の許容界磁電流の間の両対数関係を示すべき数まで高める工程を含む請求項６記載の方法。
【請求項９】
更に、前記圧力センサの故障を検出する工程と、
前記圧力センサが故障である場合、前記フィードバック信号を修正する工程を無効にする工程を含む請求項６乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記補償値が前記発電機の冷却材の温度による発電機の性能の変化に従って決定される、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
更に、前記発電機の冷却材温度を検出する温度センサの出力を前記発電機の定格値と加算する工程と、前記の加算する工程の結果を、冷却ガス温度及び前記発電機の許容界磁電流の間の２次関数関係を表す方程式に用いる工程を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
更に、前記温度センサの故障を検出する工程と、
前記温度センサが故障である場合、前記フィードバック信号を修正する工程を無効にする工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
発電機の保護を行う装置であって、
定格可能出力を表す関数発生器の出力信号を捉える手段と、
温度センサ及び圧力センサの内の一方の出力を読取り、前記発電機の冷却材状態を決定する手段と、
前記発電機の冷却材状態及び前記定格可能出力に基づいて、前記冷却材状態による発電機の性能の変化に従って補償値を決定する手段と、
前記補償値に基づいて、前記発電機の性能能力の変化を考慮する為に前記フィードバック信号を修正する手段と、
前記出力が最低閾値より高いかどうかを判断し、高くなければ、前記の補償値を決定する手段及びフィードバック信号を修正する手段を無効にする手段と、
を有する装置。
【請求項１４】
更に、前記フィードバック信号に前記補償値を乗算する手段を有する請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
更に、過励磁限界（ＯＥＬ）及び不足励磁限界（ＵＥＬ）の内の少なくとも１つを補償する手段を有する請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
更に、前記発電機に付設された自動電圧調節器の設定点及び逆時間保護フィードバック信号の内の少なくとも１つを補償する手段を有する請求項１３記載の装置。
【請求項１７】
前記出力が圧力センサの出力であり、前記発電機が蒸気タービン発電機である、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
更に、発電機の冷却材温度及び冷却材圧力に基づいて、計算を行う内の１つを自動的に選択するスイッチを有する請求項１３乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記発電機の界磁電流及び固定子電流の内の少なくとも一方の大きさを制御する、請求項１３乃至１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
前記発電機がガス燃焼発電機であり、前記補償値が前記発電機の冷却材の温度による発電機の性能の変化に従って決定され、前記温度センサが故障である場合、前記フィードバック信号を修正する手段を無効にする手段を含む、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
更に、前記出力を前記発電機の定格値と加算する手段を有する請求項１７記載の装置。
【請求項２２】
更に、前記の加算する手段の結果を、冷却ガス圧力及び前記発電機の許容界磁電流の間の両対数関係を示すべき数まで高める手段を有する請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
更に、前記加算する手段の結果を、冷却ガス温度及び前記発電機の許容界磁電流の間の２次関数関係を表す方程式に用いる手段を有する請求項２１記載の装置。
【請求項２４】
更に、前記圧力センサの故障を検出する手段と、
前記圧力センサが故障である場合、前記フィードバック信号を修正する手段を無効にする手段を含む、請求項１７乃至１９のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
同期発電機と共に動作するように設計された励磁機は、従来、界磁の発熱によって制約される発電機の可能出力(capability)曲線の過励磁領域に於て発電機の動作を制限することにより、発電機の界磁を保護することが必要であった。発電機の可能出力曲線の不足励磁領域では、固定子の端コイルの発熱及び固定子積層板の過電圧効果の為に動作を制限しなければならない。定格遅れ力率に於ける定格ＫＶＡと力率１での定格ＫＶＡとの間の動作は、過大な固定子電流が原因である過熱の為に制限しなければならない。ゼネラル・エレクトリック社のＧＥＮＥＲＲＥＸ−ＣＰＳ、ＧＥＮＥＲＲＥＸ−ＰＰＳ、ＳＨＵＮＴ−ＳＣＲ、ＡＬＴＥＲＲＥＸ、スタティック・バス給電励磁及びＳＩＬＣＯ５制御方式のような、この機能を実現する為に使われた従来の固定ハードウエア又はソフトウエア・アルゴリズムは、発電機を正しく保護することが出来るが、こういう従来の方式は、正常な状態から劣化したときの冷却材状態に応答するという能力を全く持っていない。別の問題は、従来のリミッタ方式は、改善された冷却材状態、並びにこの改善された冷却状態に伴う発電機定格の可能な増加を考慮していないことである。実際、「周囲条件追従形」の燃焼タービンの用途は、その出力電力能力が、冷却材状態によって著しく変わるので、冷却材状態の変化に特に敏感である。
【０００２】
従って、発電機の励磁機の限界及び保護機能を冷却材状態の関数として調整して、発電機の改良された全体的な性能を持たせることが望ましいことが判る。
【０００３】
【好ましい実施態様】
ここで説明する装置及び方法は、発電機の全出力能力を保ちながら、（１）界磁の発熱、（２）固定子電流による発熱、及び（３）不足励磁の可能出力によって制限される分野で、冷却材状態が公称状態から変化したときに、発電機を正確に保護する。好ましい実施態様では、ハードウエア又はソフトウエアで構成された適当なアルゴリズムが自動的に選択されて、可能出力曲線の分野では、水素冷却又は空冷の発電機に対する補償を最適にすると共に、ジャンパ又はその他の適当なスイッチング装置を用いて、不足励磁の分野で正しい補償を選択する。好ましい実施態様の利点として、リミッタ及び保護アルゴリズムを自動的に調整することによって、リミッタの非常に正確な補償が実現され、この為、変化する冷却状態に互って発電機の一層効率の良い使い方が実現される。
【０００４】
限界及び保護アルゴリズムの両方を発電機の励磁機に取入れることが出来るので、好ましい実施態様では、冷却材状態が変化するとき、限界及び保護機能を調整し、この調整状態を保つことが好ましい。この為、この明細書では、冷却材状態の関数として、限界及び保護機能を調整し、こうして非常に正確な保護機能を保ちながら、タービン発電機の全出力能力が出せるようにする非常に正確な装置及び方法を説明する。別の利点として、定格遅れ力率に於ける定格ＫＶＡから、力率１での定格ＫＶＡでの動作まで、可能出力曲線の範囲で動作するように、冷却材補償固定子電流限界機能を付け加えることが出来る。
【０００５】
更に具体的に言うと、発電機は、現在の動作点に於ける冷却材状態に基づいて異なる定格を持っている。上に述べたように、従来の励磁機の構成では、固定限界及び保護ハードウエア又はソフトウエア・アルゴリズムを使っているが、これは定格冷却材状態以外のときの保護が出来ないか、或いは冷却材状態が改善されたときに発電機の動作を高めて、発電機の全可能出力状態が得られるようにすることが出来ない。これは、前に説明したように、周囲条件追従形燃焼タービンの用途では特に重要である。従って、ここで説明する方法は、固定パラメータ限界及び保護アルゴリズムを用いるが、励磁機の能力を発電機の定格と釣り合わせる為に、温度又は水素圧力（冷却装置の種類に応じて）にキーどめされた完全な限界及び保護補償を提供する。この結果として、限界及び保護アルゴリズムの間の自動的な調整が行われる。
【０００６】
好ましい実施態様では、２つの部分から成る特性を使って、不足励磁限界（ＵＥＬ）を実現する。このような２つの部分から成る特性を不足励磁限界に対して利用すると、固定子電流の発熱又は固定子ＫＶＡによって決定される発電機の可能出力曲線の範囲での動作に対し、補償信号が得られるという別の利点がある。この為、冷却材状態に対して補償された固定パラメータ固定子電流限界を使うことが出来る。
【０００７】
【詳しい説明】
図１は空冷発電機に対する典型的な反応形可能出力曲線を示す。定格入口空気温度に於ける発電機定格は、点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを通る曲線によって与えられる。この他の２つの可能出力曲線も図１に示されており、定格とは異なる温度で運転されるときの発電機の可能出力を示している。ＡからＢまでの可能曲線は、発電機内の界磁の発熱によって制限され、その結果、定常状態運転に対して許される最大界磁電流の値が決まる。過励磁限界（ＯＥＬ）並びに関連する保護を使って、可能出力曲線のこの部分に於ける発電機の動作を制限する。曲線Ｂ−Ｃは固定子電流の発熱によって制限される。固定子電流限界を使って、発電機の出力が可能出力曲線のこの領域に入ったとき、発電機の動作を制限する。曲線Ｃ−Ｄは、端部の鉄の発熱及び固定子積層板の過電圧によって制限される可能出力曲線の範囲で動作するときの発電機の可能出力を反映している。曲線Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｄ及びＨ−Ｊ−Ｋ−Ｄは、夫々５０℃及び−１８℃に於ける発電機の可能出力曲線を示している。
【０００８】
図２は典型的な水素冷却発電機の可能出力曲線を示す。水素冷却発電機の場合、発電機が最高水素圧力にあるときに発電機定格になり、水素圧力が下がるにつれて、発電機定格が下がる。定格水素圧力の可能出力曲線は、図２では曲線Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄとして示されており、最低水素圧力に対する曲線は曲線Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｄとして示されている。可能出力曲線の制約は図１の曲線と同様である。即ち、図２で、曲線Ａ−Ｂは界磁の発熱によって制限され、曲線Ｂ−Ｃは固定子電流による発熱によって制限され、端部の鉄の発熱及び固定子積層板の過電圧が曲線Ｃ−Ｄを制限する。
【０００９】
図３は、ヨーロッパの製造業者の場合の典型的な空冷発電機の可能出力曲線を示す。グラフの左側にゼロ電力軸を示す合衆国の普通のやり方の代わりに、図３に示す標準的なヨーロッパのやり方では、ゼロ電力の点が右側に示されている。可能出力曲線の制約は図１の曲線と同様である。曲線Ａ−Ｂは界磁の発熱によって制限される。曲線Ｂ−Ｃは固定子電流による発熱によって制限される。端部の鉄の発熱及び固定子積層板の過電圧が曲線Ｃ−Ｄを制限する。ＣからＤまで、ＧからＤまで及びＫからＤまでの曲線は、これらの発電機と標準的な合衆国の空冷発電機との違いを示す。このどの曲線も、冷却材温度による変化を示していない。
【００１０】
ここで説明する好ましい実施例では、同期発電機用の励磁機に対するリミッタ及び保護装置並びに方法（以下「アルゴリズム」又は「機能」と呼ぶ）を提供する。具体的に言うと、ここで説明するリミッタは、調整器の動作を通じて、励磁機及び発電機の動作を、発電機の可能出力曲線の受容れることの出来る動作範囲に制限する。これに対して、保護アルゴリズムは、調整器の機能を全く持たないが、その代わりに、発電機の可能出力曲線の外側での励磁機及び発電機の動作に応答して、引きはずし（トリップ）を発生することが好ましい。これから説明するように、定常状態では、励磁機を可能出力曲線の範囲内で積極的に強制的に動作させ、冷却材状態に対して補償することが出来るようにするリミッタ・アルゴリズムが提供される。
【００１１】
更に、好ましい実施例は、系統事象に対し、可能出力曲線の冷却材補償禁止区域を過渡的に突き抜けることが出来るようにし、系統の安定性に対する発電機の寄与を最大にする。リミッタ及び保護機能に対して同様なアルゴリズムを構成することにより、リミッタ及び保護機能の間で効果的な調節をすることが可能である。この為、ＯＥＬの場合、リミッタが作用していれば、それが、発電機の動作を、発電機の界磁の発熱によって制限される発電機の可能出力曲線の冷却材補償範囲に制限することを確実にする。これによって、保護をしたことが望ましくない形で引きはずしを起こすことがなく、こうして、発電機を一層長い期間の間、並びに普通であれば引きはずしを引き起こすような期間の間、オンラインに保つことが保証される。言い換えると、リミッタ・アルゴリズムは、界磁巻線に流れる電流の大きさを制御して、保護アルゴリズムと調整しながら発電機をオンラインに保つ。
【００１２】
具体的に言うと、発電機の界磁回路では、界磁巻線の全体的な温度が重要な判断基準である。界磁巻線の全体的な温度は、巻線内の界磁電流並びに冷却材の状態及び温度の影響を受ける、一般的に、蒸気タービンの用途で使われている発電機は、一定の低温ガス温度で動作する傾向があり、周囲温度の変動に追従しない。この場合、この代わりにガス圧力が変化し、ガス圧力が低くなると、発電機の可能出力が下がる。ガス冷却発電機に於ける発電機の界磁電流とガス圧力との間の関係は、両対数関数ということが出来、これは周知である。詳しく言うと、現在のガス絶対圧力が（ＰＧＡＳ＋１４．７）ｌｂｓ／ｉｎ2（以下、特に述べないが、圧力及び温度、例えば「℃」単位であると了解されたい）であれば、この圧力に於ける最大許容界磁電流は次のようになる。
【００１３】
0004663189.tif 000002
ＩＦ＿ＲＡＴ（定格界磁電流）及び項Ｈ２ＦＥＸＰは、特定の用途に対する発電機のデータから決定することが出来る。ＩＦ＠ＰＧＡＳは、特定のガス圧力で、製造業者によって特定されている定格電流である。Ｈ２ＦＥＸＰは、発電機の製造業者から供給される界磁電流及び水素圧力のデータから推定することが出来る指数であり、式（１）中の「１００００」という除数は、ディジタル数を工学単位に関連付ける為に使われる特定の構成から生ずるものである。一般的に、項（Ｈ２ＦＥＸＰ／１００００）は、典型的な水素冷却発電機では、０．４及び０．５の間で変化する。好ましい実施例は、２つの絶対温度信号の比を０．４及び０．５の間で変化するべき数に上げる為の、式（１）に示す近似式の精度を最大にする。
【００１４】
この点、式（１）の両辺をＩＦ＿ＲＡＴで割ると、こうして変更された式（１）の右辺に乗数が生ずるが、これを使って（イ）フィードバック信号及び／又は（ロ）限界基準設定点を修正する。こうすると、保護及びリミッタ機能に対して一定のアルゴリズムを使いながら、冷却材の変化に対して補償することが出来る保護機能及びリミッタを構成することが出来る。
【００１５】
図４は、冷却材補償不足励磁限界（ＵＥＬ）、ＯＥＬ（リミッタ及び保護の両方）及び固定子電流限界の好ましい構成のブロック図を示す。冷却材補償を実施するのに関連するブロックだけが詳しく示されている。ＵＥＬＩＮと記したブロック、即ち、ブロック４００は、ＵＥＬ機能に対する入力ブロックであり、１／ＶＴ＾２による正規化、低域通過フィルタ作用、イネーブル作用及び絶対値回路の機能を持つ。入力電力Ｐ及び端子電圧ＶT がブロック４００に供給される。ブロック４０５のテーブル・ルックアップは、任意の関数発生器であり、定格冷却材での可能出力曲線状の点ＣからＤまでの可能出力曲線を構成するために使われる。ブロック４１５のＵＥＬＯＰと記したブロックは、ブロック４１０であるＵＥＬＨＴブロックからの出力である冷却材補償ＶＡＲ基準から、１／ＶＴ＾２による正規化を取除くために使われる。ブロック４２５のブロックＥＩＰＦＶは、信号ＨＴＳＭＡＸＶＡ（後で説明する）を使って、固定子電流限界基準を修正し、自動電圧調整器（ＡＶＲ）（図に示していない）に対して上昇及び下降指令が出されて、固定子電流を冷却材状態と見合う状態に制限するようにする。比ブロック４３０を使って、ＯＥＬ界磁電流調整器基準を修正する。比ブロック４３５を使って、限界及び保護アルゴリズムに対する界磁電流フィードバック信号を修正する。
【００１６】
図５は、水素冷却発電機に対する過励磁リミッタ（ＯＥＬ）及び保護アルゴリズムを補償する為の乗数（ＨＴＳ＿ＢＩＡＳ）を発生する好ましい方法を示す。項ＨＴＳ＠ＩＮは、発電機の冷却装置（図に示していない）に付設した水素圧力変換器の出力信号であり、一般的には発電機の製造業者から供給される。この信号を低域通過フィルタ５００に通して、望ましくない交流成分を取除く。更に、項ＨＴＳＯＦＳ（水素温度センサ・オフセット）を選択して、加算ブロック５１５を通じて、水素圧力を伝達する４−２０ｍａ電流信号（ＨＴＳ＠ＩＮとして実現される）を使うことから生ずるオフセットがあれば、それを取除く。水素冷却発電機の場合、この電流信号は、前に述べたように、冷却材状態を表す。オフセット変換器（４−２０ｍａ）を使って、ゼロ信号レベルを許さず、例えば２ｍａ未満の信号レベルを線開放と解釈しても良いようにすることが普通である。
【００１７】
倍率(scaling) ブロック５２０内のＨＴＳＳＣＬ（水素温度スカラー）は、定格絶対圧力に於ける１００００カウントに対して、絶対水素圧力信号の倍率を定めることが出来るようにする。１００００カウントの除数を使うことは任意であり、構成の観点から、任意の適当な値を使うことが出来る。比較器５４５に供給される項ＨＴＳＦＡＬ（水素温度センサの故障）は、例えば、線開放から生ずる変換器の入力信号（ＨＴＳ＠ＩＮ）の故障を検出することが出来る。これを使って、診断用（希望により）の信号ＨＴＳＥＮＢＡＤ（水素温度センサ不良）を発生することが出来、好ましくはスイッチ５３０を介して、入力信号を値ＨＴＳＮＯＭ（水素温度センサ公称）に切換え、センサ又は変換器が故障したとき、何の補償も適用しないことが好ましい。ＨＴＳＳＥＮＳＥは、スイッチ５３０の出力を表す診断信号を発する。ブロック５２５が、倍率ブロック５２０から出ていく値に対する上限（ＨＴＳＵＬＭ）及び下限（ＨＴＳＬＬＭ）を発する。
【００１８】
ＴＭＰＲＡＴ（定格温度）が、この場合はゼロとして入力され、この結果一番上側の通路、即ち、図５の右側に示す機能ブロック５５０が自動的に選択される。この結果、水素絶対圧力、ＯＥＬ及び保護の関数として、補償の為のＨＴＳ＿ＢＩＡＳ（乗数）が発生される。好ましい構成では、ＨＴＳ＿ＢＩＡＳは、比１が１００００カウントに等しいとして、乗算ブロック５７５で倍率が定められる。好ましい方法は、比ブロック（図４）を使って、フィードバック信号（ＩＦＧ）を、逆時間保護アルゴリズムに対して、１００００／ＨＴＳ＿ＢＩＡＳ倍だけ、そしてＯＥＬの基準（ＦＣＲ＿ＲＥＦ）に対してＨＴＳ＿ＢＩＡＳ／１００００倍だけ乗算し（夫々比ブロック４３５及び４３０）、こうして補償済みの基準値を固定限界及び保護アルゴリズムに供給することである。
【００１９】
蒸気を動力源とする発電機の用途とは対称的に、燃焼タービンを動力源とする発電機は、固定ガス圧力（これは空冷機械ではゼロになる）で周囲条件追従モードで動作する。界磁電流とガス温度の間の関係は、当業者に良く知られた補間２次関数に基づく。定格より低いガス温度では、界磁電流に対する式は、次の通りである。
【００２０】
0004663189.tif 000003
定格より高いガス温度では、異なる補間関数が適切であり、これは次の式によって与えられる。
【００２１】
0004663189.tif 000004
係数ＴＭＰＳＦＡ及びＴＭＰＳＦＢは、式（２）又は（３）を使って、所定の冷却材温度に於ける界磁電流を定格温度に於ける界磁電流に関係付けるような、発電機の製造業者から供給される発電機データから決定することが出来る。水素圧力の補償と同様に、式（２）及び（３）の両辺をＩＦ＿ＲＡＴで除して、固定保護及びリミッタ・アルゴリズムを使うことが出来るように、フィードバック信号を修正し、並びに／又は限界基準設定点を修正する為に使うことが出来る乗数を出す。好ましい実施例では、この乗数もＨＴＳ＿ＢＩＡＳと呼ばれ、乗算ブロック５７５で、比１を１００００カウントとして、倍率が定められる。好ましい構成は、定格温度（ＴＭＰＲＡＴ）の入力に基づいて、水素圧力又は温度の補償を自動的に選択する。即ち、ＴＭＰＲＡＴがゼロの値であると、水素圧力補償を選択し、これに対してＴＭＰＲＡＴがゼロ以外の値であると、スイッチ５７０を介して温度補償が選択される。水素圧力の場合と同じように、好ましい構成は、線開放状態を容易に検出することが出来るように、オフセット電流信号を利用する。温度の場合、ＴＭＰＲＡＴにゼロ以外の入力が必要であり、この為、実際の温度と定格温度の間の差を表す信号ＷＲＫＩ４は、加算ブロック５４０によって計算することが出来る。ＴＭＰＲＡＴがゼロ以外の値を持つから、下側通路、即ち図５の右上側にある機能ブロック５５５がスイッチ５７０を通じて選択される。この結果、式（２）又は（３）の両辺をＩＦ＿ＲＡＴで除し、ＩＦ＿ＲＡＴを５０００カウントのカウント値に置き換えたとき、式（２）又は（３）が正しく実現される。５０００カウントを使うのは、装置がＡＦＦＬでは典型的には５０００カウントの倍率になっているからである（ここでＡＦＦＬは、全負荷、定格力率及び定格温度で必要な界磁電流である）。しかし、このカウントの値は任意であり、構成の状況に応じて変えることが出来る。好ましい方法は、比ブロックを使って、図４のブロック４３５及び４３０で示すように、フィードバック信号を、逆時間保護アルゴリズムに対しては１００００／ＨＴＳ＿ＢＩＡＳだけ、そしてＯＥＬの基準（ＦＣＲ＿ＲＥＦ）に対してはＨＴＳ＿ＢＩＡＳ／１００００倍だけ乗ずることである。即ち、フィードバック信号が、希望する形で捉えられ、修正される。
【００２２】
不足励磁限界（ＵＥＬ）は、発電機を適切に保護すると共に系統の安定性を保つような設定にたどり着く為に、端部の鉄の発熱、固定子積層板の過電圧及び定常状態の安定性の問題を考慮すべきである。
【００２３】
図１は、燃焼タービンによって駆動される空冷の発電機に対する典型的な発電機の可能出力曲線を示す。好ましい実施例では、関数発生器を修正することにより、発電機の可能出力曲線の内、端部の鉄の発熱及び固定子積層板の過電圧効果によって制限される範囲で、ＵＥＬを修正する方法と装置を提供する。この関数発生器を使って、発電機の不足励磁可能出力（図１に曲線Ｃ−Ｄとして示す）を近似する。実際の電力がゼロであるときの発電機の不足励磁可能出力は１個の値であり、その後、冷却材温度又は冷却材圧力の何れかに基づいて、別の電力レベルで変化する。好ましいＵＥＬ冷却材補償の構成が図６に示されている。関数発生器の出力が図６にＵＥＨ＠ＩＮと示されており、これがＵＥＬＨＴブロック４１０の加算ブロック６５０に対する入力として使われる。次に好ましい構成は、機能ブロック６１５、６２０、６２５、６３０、６７０及び６７５に示すように、実際の電力又は実際の電力の自乗の何れかに冷却材状態（５０００−ＨＴＳＭＡＸＶＡ＊（ＵＥＨＴＣ１又はＵＥＨＴＣ２））（ここでＨＴＳＭＡＸＶＡは冷却材状態と共に変化する）を乗じた値と共に変化する関数によって、関数発生器の出力を修正する。一般的に、水素冷却発電機に対しては、実際の電力を使うことにより、そして空冷発電機に対しては、実際の電力の自乗を使うことにより、最善の結果が得られる。ジャンパ又はスイッチ・ブロック６９５を使って、０の設定では実際の電力、１の設定では実際の電力の自乗を選択する。ＵＥＨＴＣ１は、（定格より高い周囲温度では）水素圧力又は周囲温度の関数として、関数発生器の出力を修正するために使われる冷却材係数であり、ＵＥＨＴＣ２は、定格より低い周囲温度で、関数発生器の出力を修正する為に使われる冷却材係数である。図１に示す発電機の可能出力曲線から、ブロック４０５の関数発生器が選択されて、曲線Ｄ−Ｃ−Ｌを近似する。ここでＣからＬまでの曲線は、力率０．９５に於ける定格ＫＶＡから、定格ＫＶＡの１２０％に等しい実際の電力の点までの定格温度曲線の単なる延長である。図１に示す場合、ＵＥＨＴＣ４を使って、可能出力曲線に例えば１０％の余裕を追加し、その結果破線の曲線ＭＮＰになる。所望のＵＥＬ特性を完成する為、点Ｎ及びＱを通る直線を追加し、図６のブロック６６０を使って、「最大値」の選択をする。図１のＮ及びＱを通る線の勾配を（ｓｉｎ（ａｒｃｃｏｓ（０．９５）−余裕））／（１−０．９５）と計算する。この後、Ｎ及びＱを通る線の勾配に１０００を乗ずることにより、ＵＥＨＴＣ３が見付かる。図１の可能出力曲線では、ブロック６９５のＵＥＨＪＭＰ．０が、２次補間に対する１と置き、ＵＥＨＴＣ１は次の式から見出される。
【００２４】
0004663189.tif 000005
ここで、ＶＡＲ１は、点Ｇに於ける高温発電機可能出力曲線と定格温度可能出力曲線ＤＣＬとの間のＭＶＡＲＳの差であり、ＧＥＮ＿ＭＶＡは、定格温度に於ける発電機の定格、ＷＡＴＴ１は点Ｇに於けるＭＷＡＴＴＳ単位の定格、ＭＶＡ＠ＷＡＴＴ１は、点Ｇに於ける発電機のＭＶＡ定格である。同様にして、ＵＥＨＴＣ２は、低温可能出力曲線Ｄ−Ｋを使って見出され、次の式で与えられる。
【００２５】
0004663189.tif 000006
ここで、ＶＡＲ２は、点Ｋと定格発電機可能出力曲線ＤＣＬの間のＭＶＡＲＳ単位の差であり、ＷＡＴＴ２は、点ＫのＭＷＡＴＴ定格であり、ＭＶＡ＠ＷＡＴＴが点ＫのＭＶＡＲ定格である。
【００２６】
水素冷却発電機の場合、ブロック６９５のＵＥＨＪＭＰ．０は、１次補間に対しべき数をゼロと置き、ＵＥＨＴＣ１は次の式で与えられる。
【００２７】
0004663189.tif 000007
ここで、ＶＡＲ１は、一定固定子ＭＶＡが保たれるような最も進んだ力率及び最低の水素圧力のときの曲線と、定格水素圧力のときの曲線との間のＭＶＡＲＳの差である。ＷＡＴＴ１は、最低水素圧力と一定固定子ＭＶＡが保たれるような最も進んだ力率にあるときの発電機のＭＷＡＴＴＳの定格である。ＭＡＸＶＡは、最低水素圧力に於ける発電機のＭＶＡ定格である。水素圧力が定格又はそれ以下と仮定しているから、ブロック６２５のＵＥＨＴＣ２はゼロとして入力する。ブロック６５５のＵＥＨＴＣ４に余裕を入力し、ブロック６８５のＵＥＨＴＣ３に勾配を入れることは、空冷発電機にした場合と同じである。
【００２８】
図５は項ＨＴＳＭＡＸＶＡに対する値を求める好ましい方法を示す。発電機ＫＶＡが、水素冷却発電機では、絶対水素圧力の対数関数として変化するが、空冷発電機では補間２次関数によって定められる。これは、冷却材状態に対する界磁電流の変化と同様であるが、水素冷却発電機に対する指数関数の係数と、空冷発電機に対する補間２次関数と、別々にするのが適切である。これらの関数が、図５の右側の下半分に示されており、この結果、ＭＡＸＫＶＡ／ＧＥＮ＿ＫＶＡの比が１であるときのブロック５８５の５０００カウントに対する倍率を定めた信号ＨＴＳＭＡＸＶＡが発生される。界磁電流の場合と同じく、好ましい実施例のＨＴＳＭＡＸＶＡは、ブロック５８０で、ＴＭＰＲＡＴがゼロとして入力された場合、自動的に水素圧力を選択する。空冷発電機に対して使われる値が、ブロック５６０、５６５及び５８０で、温度が定格より高いか、等しいか又はそれより低いかに基づいて選択される。
【００２９】
発電機の端子電圧の変動を考慮してＨＴＳＭＡＸＶＡを正しく正規化するには、ＨＴＳＭＡＸＶＡを、単位当たりの発電機電圧の自乗で除すことが必要である。これが図５では、ブロック５０５、５１０、５３５、５３６、５３７、５３８、５３９及び５４１を使って達成される。ブロック５３７、５３８、５３９及び５４１は、フィルタ時定数を持つディジタル低域通過フィルタを構成する。フィルタにかけられた発電機電圧を使って、発電機の局部的なダイナミック性との相互作用を悉く取除く。比ブロック５０５及び５１０を使って、ブロック５８５の出力を単位当たりの発電機電圧で除す。乗算ブロック５０５に対する１つの入力は、２００００であり、この結果ブロック５８５からの信号に２００００が乗算される。ブロック２１０は、ｘの入力（即ち、ブロック５８５からの出力の２００００倍）をｙの入力（即ち、フィルタにかけた発電機電圧）で除す比ブロックである。この特定の構成では、定格発電機電圧に対して２００００の値を使う。任意の適当な値を使うことが出来る。この後、ブロック５３５及び５３６がブロック５８５の出力／単位当たりの発電機電圧を、単位当たりの発電機電圧で除し、その結果、ブロック５３６の出力には、（１／（単位当たりの発電機電圧の自乗））によって正しく補償された所望の信号が得られる。
【００３０】
典型的には、定格の遅れ力率と同じであってもなくてもよいが、或る進み力率まで、定格ＫＶＡで不足励磁で動作することが出来る。これが図１の点Ｃに示されている。この力率の点に達したとき、曲線には、不足励磁の限界を決定する不連続がある。この不連続を超える実際の電力レベルに対する不足励磁限界は、一定ＫＶＡ、又は図１の点Ｎ及びＱを通る一定勾配を持つ曲線である固定子電流曲線によって決定される。この不連続を考慮して、関数発生器の出力、図４のＵＥＨ＠ＩＮを修正しようとすると、図１に容易に見られるように、勾配が２つの範囲で非常に異なっている為、１個の補償項を求めることは困難であろう。好ましい構成では、高値ゲート６１０（図６）を使って、加算ブロック６５５（後で説明する）からの補償済み関数発生器出力と、割算ブロック６９０の補償済み一定ＫＶＡ機能からの出力の間で選択する。一定ＫＶＡ機能を正確に発生することは可能であるが、好ましい構成は、一定ＫＶＡ機能に対して直線近似を利用する。これを行って、無限大の、又は非常に大きな勾配（ΔＶＡＲＳ／ΔＷＡＴＴＳ）が生じ、その結果、不足励磁限界（ＵＥＬ）の安定性に悪影響を及ぼすような無限大又は非常に大きな利得が生ずる可能性を除く。これが図６に示した好ましい構成で達成される。
【００３１】
具体的に言うと、実際の電力信号（ＵＥＬＷＡＴＴＳ）から、破線ブロック６８０で、所定の冷却材状態に於ける最大ＫＶＡに比例する信号（ＨＴＳＭＡＸＶＡ）を減算する。次に、ブロック６８５及び６９０を通じて、この差に所望の勾配（ＵＥＨＴＣ３／１０００）を乗ずる。その結果、発電機の可能出力曲線の発電機一定ＫＶＡ区間（直線Ｎ−Ｑ）でのリミッタ動作を行わせる、一定の勾配を持つ発電機冷却材状態と共に変化する直線のリミッタ特性になる。一定の勾配を使うことは、実際の一定ＫＶＡ曲線を実現した場合、ΔＶＡＲＳ／ΔＷＡＴＴＳ特性の無限大又は非常に大きな勾配が原因となる不安定性の惧れを避ける。加算ブロック６５５に入力されるＵＥＨＴＣ４は、不足励磁可能出力曲線の関数発生器部分に余裕を追加させる。これによって、ユーザは、実際の可能出力曲線（図１のＢ−Ｃ）からの点を入力し、その後、別の入力として、余裕を含めることが出来る。直線限界が点Ｎ及びＱを通る。
【００３２】
図２は、水素冷却発電機に対する典型的な発電機可能出力曲線を示す。水素冷却発電機に対する定格可能出力曲線が図２の曲線Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄで示されており、これは発電機の最高水素圧力のときに発生する。定格圧力以外のときの定格は、これより低い発電機の可能出力になる。空冷発電機の場合と同じく、曲線Ｄ−Ｃ−Ｌは、発電機の不足励磁可能出力であり、図４のブロック４０５の任意の関数発生器を使って設定される。図６のブロック６５５でＵＥＨＴＣ４を使って余裕を追加すると、図２の曲線Ｍ−Ｎ−Ｐになる。水素冷却発電機では、ブロック６９５のＵＥＨＪＭＰ．０がゼロに設定され、この結果、ＵＥＬＷＡＴＴＳに対して１次補間になる。ブロック６２０のＵＥＨＴＣ１は次のように設定される。
【００３３】
0004663189.tif 000008
ここで、ＶＡＲ１及びＷＡＴＴ１は図２に示されており、ＭＡＸ＿ＭＶＡは、図２の点Ｇに於ける発電機のＭＶＡ定格である。水素圧力は常に定格から下がると想定されるから、ブロック６２５のＵＥＨＴＣ２はゼロに設定される。空冷発電機の場合と同じく、ＵＥＬ特性が、図６のブロック６６０である最大値選択回路により、曲線Ｍ−Ｇ−Ｐと、図２のＮ及びＱを通る直線の線分の間に決定される。図６のブロック６８０、６８５及び６９０を使って、ブロック６８５のＵＥＨＴＣ３によって決定される勾配を持つ直線の線分を発生する。ブロック６９０を使って、勾配を正規化する。１０００カウントが単位勾配に等しい。ブロック６６５のＵＥＨＴＣ５を使って、ＵＥＬ基準を−３２７６７カウント及びＵＥＨＴＣ５カウントの間に制限する。
【００３４】
ＵＥＬ曲線に２つの部分から成る特性を利用すると、定格ＫＶＡより低い発電機出力レベルでは、冷却材状態に変動がないとき、発電機の不足励磁可能出力曲線を近似することが出来る。これは普通に行われていることであり、ヨーロッパの発電機製造業者では特にそうであり、この結果、可能出力曲線の一定ＫＶＡ部分までは、１個の不足励磁可能出力曲線になる。発電機のＫＶＡ出力レベルが、所定の冷却材状態に対して定格より低いとき、ＵＥＬ特性は図６のブロック６００である関数発生器の出力によって決定される。関数発生器の出力は、ブロック６２０の冷却材係数ＵＥＨＴＣ１及びブロック６２５のＵＥＨＴＣ２がゼロに等しいと置かれている場合、冷却材の関数として修正しない。一定ＫＶＡ領域内で冷却材状態の全ての変動が起こるが、ブロック６８５のＵＥＨＴＣ３を使って、正しい勾配を選択することによって、対処することが出来る。中央温度曲線が定格温度曲線として選択される。図２の点Ｃで、単位当たりの（ｓｉｎ（ａｒｃｃｏｓ（０．９５）−０．１）でＭＶＡＲ定格に所望の余裕を加える。このとき、図２から勾配は次のように判る。
【００３５】
0004663189.tif 000009
ブロック６８５のＵＥＨＴＣ３は、勾配に１０００を乗じて見付かり、ブロック６５５のＵＥＨＴＣ４は、単位当たりの余裕に５０００を乗じることによって見付かる。図３の曲線Ｍ−Ｎ−Ｐは、ＵＥＨＴＣ４によって適切な余裕を加えたときの不足励磁領域に於ける発電機の可能出力を示す。点Ｎ及びＱを通る直線は、可能出力曲線の一定固定子ＭＶＡ部分の可能出力を示す。この線の勾配は、ブロック６８５のＵＥＨＴＣ３によって決定され、ブロック６９０によって正規化される。周囲温度に伴う変化が、図５のブロック５６５のＨＴＳＭＡＸＶＡを変えることによって達成される。ＵＥＬ特性が、ブロック６５５で、関数発生器の余裕に最大を選択すること、並びにブロック６６０の最大選択機能を用いたブロック６９０の補償済みの直線の勾配によって決定される。
【００３６】
可能出力曲線の過励磁部分（図１の曲線Ａ−Ｂ、Ｅ−Ｆ及びＨ−Ｊ）では、界磁の発熱が制限となるパラメータであり、冷却材状態に対して補償することが出来て、これによって励磁機が発電機の界磁を適切に保護することが出来るようにしながら、系統事象に対する過渡状態強制能力を持たせる過励磁リミッタ（ＯＥＬ）を実現する方法を説明した。可能出力曲線の不足励磁部分では、図６のブロック６６０を通じて、２つの部分から成る特性の最大値選択を用いて、冷却材状態の変動に対して不足励磁限界（ＵＥＬ）を補償することが出来ることを示した。冷却材状態を反映するように修正することが出来る関数発生器（図４）を使って、特定の冷却材状態に於ける発電機定格ＫＶＡ未満の可能出力曲線の範囲に於ける限界特性を実現する。一定ＫＶＡ部分の直線限界は、冷却材状態に対して補償することが出来、所定の冷却材状態に於ける定格ＫＶＡによって制限される範囲に於ける不足励磁可能出力曲線に対する非常に良い近似が得られることを示す。直線近似は、特に力率１の前後での、実際の可能出力曲線の非常に高い勾配が原因でＵＥＬに不安定性が生じる惧れを小さくする。可能出力曲線の内、ＯＥＬ又はＵＥＬの何れかによってカバーされない範囲は、遅れ定格力率に於ける定格ＫＶＡから、力率１に於ける定格ＫＶＡまで（図１の曲線Ｂ−Ｑ）である。これが、タービン出力及び固定子電流の発熱によって制限される発電機可能出力曲線の範囲である。励磁機は、実際の電力に過渡的に影響するだけであり、発電機出力ＫＶＡ又は発電機固定子電流を減らす手段として、励磁機が発電機の無効出力電力を減らすことを必要とする。この為、固定子電流リミッタが必要になり、これが関連する自動電圧調整器（ＡＶＲ）（図に示していない）の設定点を変えて無効電力を減らすように動作する。タービン周囲条件追従形の用途では、好ましい実施例では、限界が冷却材状態の関数として変化するように、固定子電流リミッタをバイアスすることが出来ることが望ましい。これは、冷却材が変化したとき、発電機の可能出力の変化に釣り合うようにリミッタを修正する為に使うことが出来る信号が既に存在しているので、好ましい構成では容易に達成される。
【００３７】
具体的に言うと、ＨＴＳＭＡＸＶＡが、定格冷却材状態で５０００カウントになるように倍率を定め、発電機の端子電圧の変化に対して補償された信号である。冷却材状態が変化するとき、この信号が変化して、発電機の可能出力の変化を反映する。例えば、空冷発電機で低温ガス温度が定格から下がると、定格より低い温度に対する発電機定格に基づいて選択される定数ＴＭＰＳＳＢに基づいて、ＨＴＳＭＡＸＶＡが増加する。ＴＭＰＳＳＢは次の式で与えられる。
【００３８】
0004663189.tif 000010
ここで、ＭＡＸＶＡ＠Ｔ＿ＬＯＷは、発電機の低温定格に於けるＭＶＡの発電機定格であり、Ｔ＿ＲＡＴは℃で表した発電機の定格温度であり、Ｔ＿ＬＯＷは℃で表した発電機の低温定格である。同様に、ＴＭＰＳＳＡが次の式によって与えられる。
【００３９】
0004663189.tif 000011
ここで、ＭＡＸＶＡ＠ＨＩ＿ＴＥＭＰは、最高定格温度に於けるＭＶＡで表した発電機の定格であり、Ｔ＿ＨＩＧＨは、最高定格温度に於ける℃で表した温度である。
【００４０】
固定子電流限界が一定の設定点を用いて構成されるから、温度に対する補償を行う為に、固定子電流フィードバックを変更することが好ましい。これは図４のブロック４２５である、Ｅ１ＰＦＶブロックを使うことによって達成される。このブロックは、ＨＴＳＭＡＸＶＡ／５０００で実際の固定子電流フィードバック信号を除算することが出来る。
【００４１】
好ましい構成は、水素冷却発電機に対しては定数Ｈ２ＳＥＸＰ、そして空冷発電機に対してはＴＭＰＳＳＡ及びＴＭＰＳＳＢを使って、空冷及び水素冷却の両方の発電機に対し、冷却材の変化に対する発電機の可能出力の正確な表示を発生する。この発電機の可能出力の変化を使って、フィードバック変数を修正することが出来、こうして固定設定点リミッタを使うことが出来るようにする。
【００４２】
従って、好ましい構成では、界磁電流に関係するＯＥＬの場合、界磁電流調整器を設けることが好ましい。ＯＥＬが発電機可能出力曲線の上側部分（図１の曲線Ａ−Ｂ）になる。励磁機が、発電機の界磁に過渡的に定格より多くの界磁電流を強制的に通すことが出来ることが好ましく、この為、過渡的な界磁電流に対処する為に、発電機の界磁の能力を近似する逆時間関数が設けられる。好ましい実施例では、発電機の界磁能力が、発電機の冷却状態の関数として変化することを反映する為に、リミッタ及び保護アルゴリズムの両方を変えることが出来るようにする。こうして、このような定格以外の冷却材状態での、リミッタ及び保護機能の間の調整がとれる。
【００４３】
ＵＥＬ（不足励磁リミッタ）は同様な機能をするが、発電機の可能出力曲線の内、発電機内の端部の鉄の発熱及び定常状態の安定性によって制限される範囲である。これは基本的には図１の下側部分（曲線Ｄ−Ｃ、Ｄ−Ｇ又はＤ−Ｋ）である。点Ｄから点Ｃまでに示した曲線は、ゼロの実際の電力から単位当たりの実際の電力の０．９５倍までの発電機の不足励磁のときの可能出力である（この場合、点Ｃは力率０．９５に於ける単位ＫＶＡ当たり１である）。これは経験的な曲線である。点Ｃから点Ｂまでに示した曲線は、０ワット及び０ｖａｒを中心とし、単位ＫＶＡ当たり１の半径を持つ円である。この曲線が、点Ｎから点Ｑを通って一定の勾配を持つ直線を用いた好ましい実施例のＵＥＬ部分によって近似される。実際の円ではなく、一定の勾配を持つ直線の近似を使うのは、点Ｑに於ける円の勾配が無限大の利得（ΔＱ／ΔＰ）を持ち、その結果、ＵＥＬ調整器（図に示していない）の利得が無限大になるからである。ブロック６６０の高値選択回路を使って、ＤからＣまでに示した曲線又はＮからＱまでの直線の線分の内の高い方を採る。ＵＥＬには、冷却材の補償を必要とする対応する保護機能がないが、この構成は、冷却材状態に伴う発電機の可能出力曲線の変動に対する非常に良い近似になる。
【００４４】
ＵＥＬと同様に、固定子電流限界機能を使って、発電機固定子電流によって制限される可能出力曲線の範囲に於ける発電機の動作を制限する。これが図１の可能出力曲線の右側部分（曲線Ｂ−Ｃ）として示した一定ＫＶＡ区域であり、ＵＥＬで使うのと同じ円である。この場合、固定子電流限界が、帯域幅が非常に小さい設定点制御装置であるので、円特性を使う。ここに開示したアルゴリズムは、発電機の冷却状態の関数として、円形の発電機可能出力曲線を非常に正確に実現する。
【００４５】
以上の説明は、多数の細部及び具体的な部分を含んでいるが、これは説明の為だけであって、この発明の範囲を制限するものではないことを承知されたい。当業者であれば、特許請求の範囲並びにその均等物によって定められたこの発明の範囲を逸脱することなく、上に述べた実施例に種々の変更を加えることが容易に出来よう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  典型的な空冷発電機の可能出力曲線を示すグラフ。
【図２】  典型的な水素冷却発電機の可能出力曲線を示すグラフ。
【図３】  典型的なヨーロッパの製造業者の空冷発電機の可能出力曲線を示すグラフ。
【図４】  好ましい実施例による冷却材補償を伴う固定リミッタ及び保護を示すブロック図。
【図５】  好ましい実施例による水素圧力及び周囲温度入力センサのブロック図。
【図６】  好ましい実施例に従って、水素圧力及び周囲温度を補償する為の、不足励磁制限及び固定子電流リミッタの構成を示すブロック図。
【図１】
0004663189.tif 000012
【図２】
0004663189.tif 000013
【図３】
0004663189.tif 000014
【図４】
0004663189.tif 000015
【図５】
0004663189.tif 000016
【図６】
0004663189.tif 000017