(57)【要約】【課題】ガスタービン可変周波数型変圧器による発電システム及び方法を提供すること。【解決手段】ガスタービンと、ガスタービンに結合され、第１の電力出力を生成するよう構成された発電機と、発電機に結合され且つ配電網に結合されるよう構成された可変周波数型変圧器とを含み、可変周波数型変圧器が第１の電力出力を配電網に相当する１以上の電力特性を有する第２の電力出力に変換するよう構成されている、システム及び方法が提供される。【選択図】      図２
2013208052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、
前記ガスタービンに結合され、第１の電力出力を生成するよう構成された発電機と、
前記発電機に結合され且つ配電網に結合されるよう構成された可変周波数型変圧器と
を備え、前記可変周波数型変圧器が、前記第１の電力出力を、前記配電網に相当する１以上の電力特性を有する第２の電力出力に変換するよう構成されている、システム。
【請求項２】
前記電力特性が、前記配電網の少なくとも周波数を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記電力特性が、前記配電網の１以上の配電網運用要件を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
単独運転モードで前記ガスタービンを運転するよう構成されたガスタービン制御装置を更に備える、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
出力値を有する電力コマンドを受け取り、
前記ガスタービンの１以上の特性、前記電力コマンド、前記配電網の周波数又はこれらの組合せに少なくとも部分的に基づいてガスタービン速度設定点を決定し、
前記ガスタービン速度設定点を前記ガスタービンに送信する、
よう構成された第１のコントローラを更に備える、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記ガスタービンが、ガスタービン速度が前記ガスタービン速度設定点に実質的に同程度になるまで前記ガスタービンの燃料流量、空気流量又はこれらの組合せを調整するよう構成された第２のコントローラを備える、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のコントローラは、ガスタービン速度が前記ガスタービン速度設定点に実質的に同程度になるまで前記ガスタービンの燃料流量、空気流量又はこれらの組合せを調整するよう構成されている、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記可変周波数型変圧器が、該可変周波数型変圧器内の回転変圧器の少なくとも位相角、トルク、速度又はこれらの組合せを調整することにより前記第１の電力出力を変換する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
コンピュータ実行可能命令を記憶させた非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ実行可能命令が、
可変周波数型変圧器の電力出力値を有する電力コマンドを受け取り、該可変周波数型変圧器がガスタービン発電機から第１の電力を受け取るステップと、
前記可変周波数型変圧器に第１のコマンドを送信し、前記可変周波数型変圧器からの第２の電力を前記電力出力値に実質的に一致するように調整して、前記可変周波数型変圧器が、前記第１の電力の第１の周波数と前記第２の電力の第２の周波数との間の差を自動的に補償するようにするステップと
を含む方法を実施するようプロセッサによって実行される、非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１０】
前記第１のコマンドは、前記第２の電力が前記電力出力値に実質的に一致するまで前記可変周波数型変圧器のロータ速度、トルク、位相角又はこれらの組合せを調整するよう構成された１以上の命令を含む、請求項９記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１１】
前記方法が、第２のコマンドを送信し、前記配電網の第３の周波数が所定限界よりも大きいときに前記配電網と前記可変周波数型変圧器との間に結合されたブレーカを開くようにするステップを含む、請求項９記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
前記電力コマンドが、前記配電網についての１以上の配電網運用要件を含む、請求項９記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
前記可変周波数型変圧器が前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の差を自動的に補償する間、前記ガスタービンが公称速度で運転する、請求項９記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
電力を生成する方法であって、
配電網に相当する第１の周波数を受け取るステップ（ａ）と、
ガスタービンに結合された発電機と前記配電網に結合された可変周波数型変圧器とによる電力出力に相当する第２の周波数を受け取るステップ（ｂ）と、
前記第１の周波数及び前記第２の周波数に少なくとも部分的に基づいてガスタービン速度設定点を生成するステップ（ｃ）と、
前記ガスタービン速度設定点を前記ガスタービンに送るステップ（ｄ）と、
前記第１の周波数及び前記第２の周波数の差が所定値以下になるまで前記ステップ（ａ）〜（ｄ）を繰り返すステップ（ｅ）と、
前記可変周波数型変圧器にコマンドを送り、前記可変周波数型変圧器によって、電力コマンドにより規定された電力出力値に実質的に一致するように電力出力を調整するステップ（ｆ）と
を含む、方法。
【請求項１５】
前記所定値が、前記可変周波数型変圧器の最大差周波数に相当する、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の周波数及び前記第２の周波数の差が所定値よりも小さい場合には、前記ステップ（ｃ）で生成された前記ガスタービン速度設定点を前記ガスタービンの公称速度に設定する、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の周波数及び前記第２の周波数の差が所定値よりも大きい場合には、前記生成されたガスタービン速度設定点は、前記ガスタービンの公称速度とは異なっている、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
１以上のコマンドを前記ガスタービンに送り、空気流量、燃料流量又はこれらの組合せを修正するステップを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記修正された空気流量、燃料流量又はこれらの組合せは、発電機による電力出力を変更するよう構成される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記コマンドが、前記可変周波数型変圧器の回転変圧器に対するロータ速度調整、トルク調整、位相角調整又はこれらの組合せを含む、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、配電網運用仕様に準拠した可変周波数型変圧器を介して配電網に結合されたガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の国では、配電網に接続される発電施設の出力を規定した様々な配電網運用規則がある。一般的な配電網運用規則は、不足周波数事象中に発電施設（例えば、ガスタービン−発電機）が配電網に供給する電力量を定めている。これらの配電網運用規則は、一般に、不足周波数事象中に過度の有効電力低下を防ぐのに用いられる。ガスタービンは、系統周波数（grid frequency）の低下の影響を特に受けやすく、周囲温度に伴って顕著な出力変化を生じる可能性がある。一般に、配電網運用不足周波数電力規則は、水又は蒸気をガスタービンに噴射し、ガスタービンの燃焼温度を変更するか又はガスタービンの入口空気を調整することにより、ガスタービンによる電力出力を増大させることで適合することができる。残念ながら、これらのプロセスは、コストが増大し、応答時間が遅く、ガスタービン内部の燃焼及び高温ガス経路に損傷をもたらし、不足周波数事象に起因したガスタービンの全体効率の低下を防ぐことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６３１６９１８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、ガスタービンと、ガスタービンに結合され、第１の電力出力を生成するよう構成された発電機と、発電機及び配電網に結合された可変周波数型変圧器とを含む。ここで、可変周波数型変圧器は、第１の電力出力を、配電網に相当する１以上の電力特性を有する第２の電力出力に変換するよう構成することができる。
【０００６】
第２の実施形態では、非一時的コンピュータ可読媒体は、プロセッサによって実行できるコンピュータ実行可能命令を含むことができ、該プロセッサは、可変周波数型変圧器の電力出力値を有する電力コマンドを受け取り、該可変周波数型変圧器がガスタービン発電機から第１の電力を受け取ることができる。次いで、プロセッサは、可変周波数型変圧器に第１のコマンドを送信し、可変周波数型変圧器からの第２の電力を電力出力値に実質的に一致するように調整することができる。ここで、可変周波数型変圧器は、第２の電力を電力出力値に実質的に一致するように調整しながら、第１の電力の第１の周波数と第２の電力の第２の周波数との間の差を自動的に補償することができる。
【０００７】
第３の実施形態では、電力を生成する方法は、配電網の周波数に相当する第１の周波数を受け取るステップ（ａ）と、ガスタービンに結合された発電機と配電網に結合される可変周波数型変圧器とによる電力出力に相当する第２の周波数を受け取るステップ（ｂ）と、第１の周波数及び第２の周波数の間の差が所定値よいも大きい場合にガスタービン速度設定点を生成するステップ（ｃ）と、ガスタービン速度設定点をガスタービンに送るステップ（ｄ）と、上記差が所定値以下になるまでステップ（ａ）〜（ｄ）を繰り返すステップ（ｅ）と、可変周波数型変圧器にコマンドを送り、可変周波数型変圧器によって、電力コマンドにより規定された電力出力値に実質的に一致するように電力出力を調整するステップ（ｆ）とを含むことができる。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るガスタービン−可変周波数型変圧器（ＶＦＴ）システムにおけるガスタービンの簡易ブロック図。
【図２】一実施形態に係るガスタービン−ＶＦＴシステムにおける可変周波数型変圧器（ＶＦＴ）の簡易ブロック図。
【図３】一実施形態に係るガスタービン−ＶＦＴ制御システムの簡易ブロック図。
【図４】一実施形態に係るガスタービン−ＶＦＴシステムによる出力の周波数を調整するデータフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１２】
最初に、図１を参照すると、本開示の技術及び技法の１以上の態様を組み込むことができるガスタービン−ＶＦＴシステム１０の一実施形態のブロック図が示されている。ガスタービン−ＶＦＴシステム１０は、例えば、単純サイクルシステム又は複合サイクルシステムの一部とすることができるガスタービンを含む。ガスタービン３０は、燃料１４を燃焼してガスタービン３０を駆動する燃焼器１２を含む。特定の実施形態によれば、燃料１４は、天然ガス、軽質又は重質留出油、ナフサ、原油、残油又はシンガスなどの液体もしくはガス燃料とすることができる。
【００１３】
燃焼器１２内では、燃料１４は、矢印で示される加圧空気１６と混合することができ、点火を起こして高温燃焼ガス１８を生成し、この燃焼ガスがガスタービン３０に動力を供給する。燃焼器１２は、燃料１４と加圧空気１６とを予混合して、該燃料−空気混合気を最適な燃焼、エミッション、燃焼消費量及び出力に好適な比率で燃焼室に配向するセクタ燃料ノズルを含むことができる。更に、セクタノズル（図示せず）はまた、液体燃料を燃焼室に配向する液体燃料カートリッジを含むことができる。
【００１４】
加圧空気１６は、空気吸入セクション２２を通ってガスタービンシステム１０に流入する吸入空気２０を含む。吸入空気２０は、圧縮機２４によって加圧されて加圧空気１６を生成し、燃焼器１２に流入する。セクタ燃焼ノズルは、燃料１４及び加圧空気１６を燃焼器１２の燃焼ゾーンに配向することができる。燃焼ゾーン内では、加圧空気１６は、燃料１４と燃焼して高温の燃焼ガス１８を生成する。燃焼器１２から、高温燃焼ガス１８がタービン２６を通って流れることができ、該タービンがシャフト２８を介して圧縮機２４を駆動する。例えば、燃焼ガス１８は、タービン２６内のタービンロータブレードに駆動力を加えてシャフト２８を回転させることができる。シャフト２８はまた、発電機３３に接続することができ、この発電機３３を用いて、配電網４０に結合された電力線３４上に電力を発生させることができる。燃焼ガス１８は、タービン２６を通って流れた後、排気セクション３２を通ってガスタービンシステム１０から流出することができる。シャフト２８は、該シャフト２８の圧縮機２４側で発電機３３に接続される（すなわち、低温端駆動）ように説明しているが、他の実施形態では、発電機３３は、シャフト２８のタービン２６端に接続（すなわち、高温端駆動）することができる。
【００１５】
上述のように、発電機３３は、電力を生成し、該電力が、電力線３４を介して可変周波数型変圧器（ＶＦＴ）３６に配向することができる。ＶＦＴ３６は、電力を受け取り、該電力を配電網４０に結合された電力線３８に出力する。ガスタービン−ＶＦＴシステム１０は、配電網４０に接続されるが、ガスタービン３０は、単独運転（ｉｓｌａｎｄｉｎｇ）モードで運転することができ、その結果、ガスタービン３０がタービン速度を維持することができ、ＶＦＴ３６がガスタービンの観点から見ると可変負荷とみなすことができる。
【００１６】
作動時には、ＶＦＴ３６は、発電機３３からの電力特性が配電網４０の電力特性に一致するように、発電機３３からの電力を配電網４０に結合される電力に変換する。従って、ＶＦＴ３６は、発電機３３と配電網４０との間の電力流を制御し、これにより２つの非同期ＡＣシステム間の電力交換を可能にする手段を提供する。
【００１７】
ＶＦＴ３６は、水力発電機及び変圧器技術の組合せに基づいている。一般に、ＶＦＴ３６は、位相シフトを連続的に制御する回転変圧器と、回転変圧器の角度及び速度を調整する駆動制御装置とを含む。結果として、回転変圧器及び駆動制御装置は、ＶＦＴ３６を通じて電力流を調節する。ＶＦＴ３６に関する更なる詳細事項は、図２を参照して以下で説明する。
【００１８】
一実施形態では、ＶＦＴ３６は、ガスタービン３０の定格シャフト速度（例えば、３６００ｒｐｍ）を維持しながら、発電機３３と配電網４０との間の電力交換を可能にすることができる。従って、ガスタービン３０は、周波数が変動する弱い配電網に接続されている間、定格シャフト速度で運転することができる。ＶＦＴ３６が種々の系統周波数に接続されている間にこの定格シャフト速度で運転することによって、ガスタービン３０は、より効率的な出力を提供することができ、種々の系統周波数に起因したガスタービン３０内の機器損傷を回避することができる。従って、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０は、周波数が変化する場合のソフトグリッドでの動作能力の改善をもたらす。
【００１９】
別の実施形態では、ＶＦＴ３６により、ガスタービン３０が、不足周波数事象の間の配電網４０において配電網運用規則を満足できるようにすることができる。例えば、サウジアラビアのような国々では、ガスタービンの定格有効電力が０．５Ｈｚの周波数低下に維持され、また、５７〜５９．５Ｈｚ間の有効電力出力のどのような減少も系統周波数の比例的減少を超えないことを要求した配電網運用規則を有する場合がある。この要件に適合するために、ガスタービン３０は、発電機３３を介した追加の出力を生成することができる。損傷を引き起こす可能性がある方法及び／又はコスト効率の悪い方法で発電機３３によって出力を増大させる（例えば、ガスタービン３０に水を注入すること、ガスタービン３０の燃焼温度を高めること、ガスタービン３０の吸入空気を調整すること、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）マージンを保持する又は同様のことによる）のではなく、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０によって、ガスタービン３０は、不足周波数事象に対応しながら、その定格周波数で継続して運転できるようにすることができる。
【００２０】
実際に、上述のガスタービン−ＶＦＴシステム１０を用いることにより、ガスタービン３０は、配電網４０の周波数と異なる場合があっても、定格周波数で運転することができる。ガスタービンは、一般に、定格周波数（例えば、６０Ｈｚ）で運転するよう設計されているので、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０は、ガスタービン３０がより効率的に運転することができ、また、定格以外の周波数での運転に起因して発生する可能性がある損傷を回避できるようにする。その結果、配電網４０への電力入力は、ガスタービン３０の周波数変更を必要とせずに不足周波数事象中の種々の配電網運用要件の電力要件に適合することができる。
【００２１】
より効率的な配電網運用への対応を提供することに加えて、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０はまた、ガスタービン３０にどのような損傷ももたらすことなく、限定されない時間期間にわたって配電網４０の周波数が大きく変化している間でもガスタービン３０を配電網４０に接続したままにすることができる。オフ周波数で定められた期間に運転できることもまた、共通の配電網運用要件である。更に、ＶＦＴ３６をガスタービン３０及び発電機３３と組合せることにより、標準６０Ｈｚガスタービンを用いて、５０Ｈｚと６０Ｈｚの両方が存在する日本及び６０Ｈｚ系統であるが５０Ｈｚ配電網を利用する国によって囲まれたサウジアラビアなどの国々で使用される５０Ｈｚ配電網に接続することができる。
【００２２】
図２は、本開示の技術及び技法の１以上の態様を組み込むことができるガスタービン−ＶＦＴシステム１０におけるＶＦＴ３６の一実施形態のブロック図である。上述のように、ＶＦＴ３６は、発電機３３と配電網４０のような２つの非同期の電気システムの間で電力を変換するのに接続することができる。ＶＦＴ３６は、駆動制御装置システム４２、回転変圧器組立体４４及びＶＦＴ３６のロータに加わるトルクを制御するのに用いることができる駆動モータ４６（ロータ駆動モータとしても知られている）を含むことができる。駆動制御装置システム４２を利用して、駆動モータ４６を制御することができる。回転変圧器組立体４４は、ロータ部分組立体及びステータ（図示せず）の両方を含むことができる。一実施形態では、ＶＦＴ３６は、ロータ部分組立体及びステータ両方の巻線用の高電力ケーブルを利用することができる。高電力コレクタ４８は、発電機３３とＶＦＴ３６のロータとの間で電力を伝送することができる。ＶＦＴ３６のステータケーブルは、配電網４０に接続することができる。別の実施形態では、発電機３３は、ＶＦＴ３６のステータに接続することができ、配電網４０は、高電力コレクタ４８に接続することができる。加えて、従来のステップアップ又はステップダウン変圧器（図示せず）をＶＦＴ３６と共に使用して、配電網４０及びガスタービン発電機３３と相互連結することができる。
【００２３】
駆動モータ４６は、駆動制御装置システム４２が発生する駆動信号に応答してロータ組立体を回転させる。発電機３３及び配電網４０は、異なる電気特性（例えば、周波数）を有することができる。駆動制御装置４２は、ロータ組立体を可変速度で双方向に作動させ、発電機３３から配電網４０に又はその逆（すなわち、配電網４０から発電機３３）に電力を伝送することができる。結果として、ＶＦＴ３６は、回転変圧器組立体４４を用いて双方向の非同期リンクを提供可能にすることができる。更に、回転変圧器組立体４４の角度及び速度を調整する駆動制御装置システム４２は、ＶＦＴ３６を通る電力流を調節するのに用いることができる。
【００２４】
ガスタービン３０及び発電機３３と連動してＶＦＴ３６を用いることにより、ガスタービン−ＶＦＴ制御システム５０は、系統周波数の変動に関係なく、発電機３３の出力の周波数、従って、ガスタービン３０の速度を制御することができる。このようにして、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０は、ガスタービン３０の燃料流及び／又は空気流を増大させることにより発電機３３からの出力が増大したときに、ガスタービン３０において生じる可能性があるハードウェア損傷を回避する。
【００２５】
図３は、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０を制御するガスタービン−ＶＦＴ制御システム５０のブロック図である。一実施形態では、ＶＦＴコントローラ５２は、ＶＦＴ３６を制御するよう構成することができる。ＶＦＴコントローラ５２は、通信モジュール５４、プロセッサ５６、メモリ５８、記憶装置６０及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート６２を含むことができる。通信モジュール５４は、ＶＦＴ３６とガスタービン３０との間の通信を可能にすることができる、無線又は有線通信モジュールとすることができる。プロセッサ５６は、本発明で開示される技法を実施可能な任意のタイプのコンピュータプロセッサ又はマイクロプロセッサとすることができる。
【００２６】
一実施形態では、ＶＦＴコントローラ５２は、ＶＦＴ３６からの出力値（例えば、１８５ＭＷ）を既定することができる電力流コマンド６４をユーザから受け取ることができる。電力流コマンド６４はまた、外部の制御システムにより生成することができ、種々の状況（例えば、不足周波数事象）でのＶＦＴ３６からの出力要件を規定した配電網運用要件を含むことができる。
【００２７】
電力流コマンド６４を受け取った後、プロセッサ５６は、ガスタービン３０のガスタービン速度設定点６６を決定することができる。一般に、プロセッサ５６は、ガスタービン３０に対して既定された公称速度に基づきガスタービン速度設定点６６を決定することができる。しかしながら、一部の実施形態では、プロセッサ５６は、ＶＦＴ３６の固有限界に基づいてガスタービン速度設定点６６を決定することができる。ガスタービン速度設定点６６をプロセッサ５６がどのように決定できるかに関する追加の詳細事項は、図４を参照して以下で検討する。
【００２８】
ガスタービン速度設定点６６を決定した後、ＶＦＴコントローラ５２は、通信モジュール５４を介してガスタービン速度設定点６６をガスタービンコントローラ３１に送信することができる。一実施形態では、ガスタービンコントローラ３１は、ガスタービン３０を制御するよう構成することができる。ＶＦＴコントローラ５２と同様に、ガスタービンコントローラ３１は、通信モジュール５４、プロセッサ５６、メモリ５８、記憶装置６０及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート６２を含むことができる。これらの構成要素の説明は、ＶＦＴコントローラ５２の同じ構成要素に関して上記で提供された説明に相当する。次いで、ガスタービンコントローラ３１は、ガスタービン３０の等時的速度制御（すなわち、固定速度制御）の速度基準としてガスタービン速度設定点６６を受け取るることができる。ガスタービンコントローラ３１は、燃料流コマンド６８及び空気流コマンド７０を提供して、ガスタービン３０がガスタービン速度設定点６６によって既定されたガスタービン速度７２を達成するようにガスタービン３０の燃料流１４及び空気流２０を調整することができる。結果として、ガスタービン３０は、シャフト２８を用いて発電機３３を回転させ、発電機３３が電力（すなわち、発電機電力流７４）を生成できるようにすることができる。
【００２９】
ＶＦＴ３６は、発電機電力流７４を受け取ることができ、ＶＦＴコントローラ５２は、ＶＦＴ３６の駆動モータへのトルクコマンド３５を調節又は調整し、ＶＦＴ３６が電力流コマンド６４で既定された出力（例えば、１８５ＭＷ）に相当するＶＦＴ電力流７６を可能にすることができるようにする。
【００３０】
トルクコマンド３５に対する変更は、ガスタービン３０に対する一時的な負荷不均衡をもたらす場合があり、ガスタービン速度７２の増減を生じることができる。この場合、ガスタービンコントローラ３１は、燃料流コマンド６８及び空気流コマンド７０を調整し、ガスタービン速度７２をガスタービン速度設定点６６に等しくなるまで調整することができ、この設定点での発電機電力流７４は、ＶＦＴ電力流７６が電力流コマンド６４と実質的に一致する。
【００３１】
ＶＦＴ３６は、ガスタービン３０がガスタービン速度設定点６６（すなわち、公称速度）で連続的に運転するように、配電網の周波数（すなわち、系統周波数７８）の変化を自動的に補正することができる。従って、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０を用いて、ガスタービン３０に負担をかけることなく配電網の不足周波数事象の間発電機電力流７４の周波数を維持することができる。すなわち、ＶＦＴ３６は、ガスタービン３０が公称速度と異なるガスタービン速度５８で運転する必要もなく、配電網４０と実質的に同じ周波数（すなわち、系統周波数７８）を有する電力流７６を配電網４０に提供することができる。
【００３２】
ＶＦＴ３６が系統周波数７８の変化を自動的に補正するために、ＶＦＴコントローラ５２は、電力流コマンド６４に加えて配電網４０から系統周波数７８を受け取ることができる。系統周波数７８は、Ｉ／Ｏポート６２に接続された１以上のセンサを用いて収集することができる。系統周波数７８が変化すると、ＶＦＴコントローラ５２は、駆動モータ４６（図２）にコマンドを送り、ＶＦＴ電力流７６の周波数が系統周波数７８に実質的に一致するようにＶＦＴロータの速度を調整することができる。このようにして、ＶＦＴ３６は、発電機３３と配電網４０とが同期していない場合でも、発電機３３と配電網４０との間で途切れのない電力伝送を可能にすることができる。発電機３３と配電網４０との間の電力流を調節することに加えて、ＶＦＴロータは、本質的に、２つの非同期システム（発電機３３と配電網４０）によって与えられる位相角に一致するように自己配向することができる。
【００３３】
一実施形態では、ＶＦＴ３６は、発電機電力流７４とＶＦＴ電力流７６との間で適応できる最大差周波数を有することができる。従って、発電機電力流７４とＶＦＴ電力流７６との間の周波数の差が、ＶＦＴ３６が適合するには大き過ぎる場合には、ＶＦＴ３６は、系統周波数７８が低下し過ぎたときにガスタービン３０を公称速度に維持できない可能性がある。例えば、ＶＦＴ３６が適応できる最大差周波数が３Ｈｚであるとすると、配電網４０の周波数は、発電機電力流７４の周波数が系統周波数７８と３Ｈｚよりも大きく異なるように低下する。この場合、調整がＶＦＴ３６の固有容量を超える可能性があるので、ＶＦＴ３６は、２つのシステム間の周波数差を補うことができなくなる。従って、ガスタービン速度７２は、発電機電力流７４の周波数が系統周波数７８の３Ｈｚ内にあるように低下する可能性がある。発電機電力流７４をＶＦＴ３６能力の限度内に保持するようガスタービン速度設定点６６を調整することに関する更なる詳細は、図４を参照して以下で説明する。
【００３４】
別の実施形態では、上述のように、電力流コマンド６４は、発電機３３によって配電網４０に供給される電力についての配電網運用規則を含むことができる。ここで、発電機電力流７４の周波数と系統周波数７８との差がＶＦＴ３６の最大差周波数以内である場合には、ＶＦＴ３６により、系統周波数７８が公称周波数よりも低くなった場合のどのような修正もなくガスタービン３０がその定格速度で運転し、定格出力を生成することを可能にし、これにより配電網運用規則を満足することができる。
【００３５】
図４は、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０によって出力の周波数を調整する１つの実施例を提供するデータフロー図８０である。データフロー図８０は、特定順序の工程を示しているが、データフロー図８０はこの例示の順序に限定されない点は理解されたい。むしろ、データフロー図８０は、任意の順序で実施することができる。一実施形態では、データフロー図８０において説明されるプロセスは、図３で上記で説明されたＶＦＴコントローラ５２によって実施することができる。
【００３６】
ブロック８２において、ガスタービン速度設定点６６は、ガスタービン速度（例えば、３６００ｒｐｍ）に初期設定することができる。ブロック８４において、ＶＦＴコントローラ５２は、系統周波数７８を受け取り、系統周波数７８を１以上の動作限界と比較することができる。系統周波数７８が動作限界外にある場合、ＶＦＴコントローラ５２は、ブレーカ又は同様の装置にコマンドを送信し、保護手段として配電網４０からガスタービン−ＶＦＴシステム１０を切断する（すなわち、ブロック８６）ことができる。或いは、系統周波数７８が動作限界以内にある場合、ＶＦＴコントローラ５２は、ブロック９０に進み、周波数Δを計算することができる。周波数Δは、系統周波数７８と発電機周波数測定値８８との差である。発電機周波数測定値８８は、発電機３３の出力（すなわち、発電機電力流７４）の周波数に相当することができる。
【００３７】
ブロック９２において、ＶＦＴコントローラ５２は、周波数ΔがＶＦＴ限界よりも大きいかどうかを判定することができる。ＶＦＴ限界が、発電機電力流７４とＶＦＴ電力流７６との間でＶＦＴ３６が適応できる最大差周波数に相当することができる。周波数ΔがＶＦＴ限界以下である場合、ＶＦＴコントローラ５２は、現行の速度でガスタービン速度設定点６６を維持することができる（すなわち、ブロック９４）。
【００３８】
或いは、周波数ΔがＶＦＴ限界よりも大きい場合には、ブロック９６において、ＶＦＴコントローラ５２が、発電機周波数測定値８８が系統周波数７８に近づくようなガスタービン速度設定点６６を生成することができる。すなわち、ＶＦＴコントローラ５２は、ガスタービン速度設定点６６を増減し、ガスタービン３０の出力の周波数を増減することができる。ガスタービン３０の出力の周波数を増減することによって、周波数ΔをＶＦＴ限界に近づけ、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０が系統周波数７８に適合できるようにすることができる。
【００３９】
ブロック１００において、ＶＦＴコントローラ５２は、ガスタービン速度設定点６６をガスタービンコントローラ３１に送信することができる。ガスタービン速度設定点６６をガスタービンコントローラ３１に送信した後、ＶＦＴコントローラ５２は、ブロック８４に戻り、周波数ΔがＶＦＴ限界内になるまでデータフロー図８０の処理を繰り返すことができる。周波数ΔがＶＦＴ限界以下になると、ＶＦＴ３６は、発電機電力流７４を変更し、ＶＦＴ電力流７６が電力流コマンド６４に対応して、ＶＦＴ電力流７６の周波数が系統周波数７８に一致するようにすることができる。
【００４０】
一実施形態では、ガスタービン速度が低下すると、発電機電力流７４も減少することができる。この場合、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０は、ガスタービン３０における燃料流６８及び／又は空気流７０を増大することによって、発電機電力流７４の減少した出力を補償することができる。
【００４１】
ＶＦＴコントローラ５２及びガスタービンコントローラ３１は、上記では２つの別個のコントローラとして説明してきたが、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０内のいずれかの構成要素上に設置できる単一のコントローラに、或いは、ガスタービン−ＶＦＴシステム１０内の別個の構成要素として組み込むことができる。
【００４２】
本開示の技術的効果は、とりわけ、ガスタービン３０が連続してガスタービン速度設定点６６（すなわち、公称速度）で運転するよう配電網の周波数（すなわち、系統周波数７８）の変化を自動的に補償することを含む。従って、ガスタービン３０は、定格速度で運転することができ、これによりガスタービン３０の寿命及び効率を向上させることができる。
【００４３】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００４４】
１０  ガスタービン−ＶＦＴシステム
１２  燃焼器
１４  燃料
１６  加圧空気
１８  燃焼ガス
２０  吸入空気
２２  空気吸入セクション
２４  圧縮機
２６  タービン
２８  シャフト
３０  ガスタービン
３１  ガスタービンコントローラ
３２  排気セクション
３３  発電機
３４  電力線１
３５  トルクコマンド
３６  ＶＦＴ
３８  電力線２
４０  配電網
４２  駆動制御システム
４４  回転変圧器組立体
４６  駆動モータ
５０  ＶＦＴ制御システム
５２  ＶＦＴコントローラ
５４  通信モジュール
５６  プロセッサ
５８  メモリ
６０  記憶装置
６２  Ｉ／Ｏポート
６４  電力流コマンド
６６  ガスタービン速度設定点
６８  燃料流コマンド
７０  空気流コマンド
７２  ガスタービン速度
７４  発電機電力流
７６  ＶＦＴ電力流
７８  系統周波数
８０  データフロー図
８２  ブロック１
８４  ブロック２
８６  ブロック３
８８  発電機周波数測定値
９０  ブロック４
９２  ブロック５
９４  ブロック６
９６  ブロック７
１００  ブロック８
【図１】
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【図２】
2013208052.tif 000004
【図３】
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【図４】
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