(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷変動または短絡停電若しくは低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）状況等の他のグリッド状況に対する発電プラントの反応性を改善する。【解決手段】発電プラント１、特に発電セットであって、内燃機関２と、内燃機関２によって駆動が可能な主要発電機３とを含んでおり、主要発電機３は電力グリッド４に電気的に接続されており、発電プラント１は内燃機関２によって駆動が可能な補助発電機５をさらに含んでおり、補助発電機５のターミネータ６は電力変換装置８の第１の交流電圧ターミネータ７と接続しており、電力変換装置８の直流電圧ターミネータ９は電気エネルギー保存装置１０と接続しており、電力変換装置８の第２の交流電圧ターミネータ１１は電力グリッド４に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラント（１）、特に発電セットであって、内燃機関（２）と、該内燃機関（２）によって駆動可能な主要発電機（３）とを備え、該主要発電機（３）は電力グリッド（４）に電気的に接続されており、前記発電プラント（１）は前記内燃機関（２）によって駆動可能な補助発電機（５）をさらに備え、該補助発電機（５）のターミネータ（６）は電力変換装置（８）の第１の交流電圧ターミネータ（７）と接続されており、前記電力変換装置（８）の直流電圧ターミネータ（９）は電気エネルギー保存装置（１０）と接続されている発電プラント（１）において、前記電力変換装置（８）の第２の交流電圧ターミネータ（１１）は前記電力グリッド（４）に接続されていることを特徴とする発電プラント（１）。
【請求項２】
前記主要発電機（３）の公称電力の、前記補助発電機（５）の公称電力に対する電力比は少なくとも１．５であり、該電力比は好適には約４であることを特徴とする請求項１記載の発電プラント。
【請求項３】
前記主要発電機（３）と前記補助発電機（５）とは別々な発電機として形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の発電プラント。
【請求項４】
前記主要発電機（３）と前記補助発電機（５）とは、前記内燃機関（２）によって駆動可能な１体の発電機（１２）として形成されており、前記主要発電機（３）は前記発電機（１２）の固定子（１４）に配置された主要巻付構造（１３）を備え、前記補助発電機（５）は前記固定子（１４）に配置された補助巻付構造（１５）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の発電プラント。
【請求項５】
前記主要巻付構造（１３）の、前記補助巻付構造（１５）に対する巻付比は少なくとも１．５であり、好適には該巻付比は約４であることを特徴とする請求項４記載の発電プラント。
【請求項６】
制御装置（１６）が提供されており、前記電力グリッド（４）及び／又は前記内燃機関（２）及び／又は前記主要発電機（３）及び／又は前記補助発電機（５）及び／又は前記エネルギー保存装置（１０）の少なくとも１つの稼働状況が、少なくとも１本の信号線（１７）を介して前記制御装置（１６）に伝達可能であり、前記電力変換装置（８）は、前記少なくとも１つの稼働状況に応じて制御線（１８）を介して前記制御装置（１６）により制御が可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発電プラント。
【請求項７】
発電プラント（１）、特に請求項１から６のいずれか１項に記載の発電プラント（１）の稼働方法であって、当該発電プラント（１）は、内燃機関（２）と、該内燃機関（２）によって駆動可能な主要発電機（３）とを備え、該主要発電機（３）は電力グリッド（４）に電気的に接続されており、当該発電プラント（１）は前記内燃機関（２）によって駆動可能な補助発電機（５）をさらに備え、該補助発電機（５）のターミネータ（６）が電力変換装置（８）の第１の交流電圧ターミネータ（７）と接続されており、前記電力変換装置（８）の直流電圧ターミネータ（９）が電気エネルギー保存装置（１０）と接続されている発電プラント（１）の稼働方法において、前記電力変換装置（８）の第２の交流電圧ターミネータ（１１）は前記電力グリッド（４）に接続されており、前記電力グリッド（４）及び／又は前記内燃機関（２）及び／又は前記主要発電機（３）及び／又は前記補助発電機（５）及び／又は前記エネルギー保存装置（１０）の少なくとも１つの稼働状況に応じて、前記電力変換装置（８）を通過する電気エネルギーの通流方向が制御されることを特徴とする方法。
【請求項８】
前記電力グリッド（４）の電力需要が前記主要発電機（３）と前記補助発電機（５）とにより発生する全電気出力よりも大きい場合、前記エネルギー保存装置（１０）に保存された電気エネルギーが前記電力変換装置（８）を通過して、好適には該電力変換装置（８）を制御することで、前記電力グリッド（４）に供給されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記電力グリッド（４）の電力需要が前記主要発電機（３）及び／又は前記補助発電機（５）により発生する電気出力よりも小さい場合、電気エネルギーは前記電力グリッド（４）及び／又は前記補助発電機（５）から前記電力変換装置（８）を通過して、好適には該電力変換装置（８）を制御することで、前記エネルギー保存装置（１０）に供給されることを特徴とする請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
前記補助発電機（５）で前記内燃機関（２）を始動するために、電気エネルギーが前記エネルギー保存装置（１０）及び／又は前記電力グリッド（４）から前記電力変換装置（８）を通過して、好適には該電力変換装置（８）を制御することで、前記補助発電機（５）に供給されることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分の特徴を備えた発電プラントと、請求項７の前提部分の特徴を備えた発電プラントの稼働方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントは、その発電プラントに接続されている電力グリッドに電力を供給するために使用される。発電プラントは、内燃機関と、その内燃機関に機械的に連結され、それによって駆動され、電力グリッドに電気的に接続されている主要発電機とを含んだ発電セットの形態でよい。典型的には、内燃機関は、しばしば比較的小さな慣性を有するレシプロ型ガス機関の形態である。電力グリッドにおける過度的負荷状況に良好に反応できるように、従来から、交流電圧−直流電圧電力変換装置を介して補助発電機に電気的に接続されている電気エネルギー保存装置を活用することも知られている。この補助発電機は内燃機関に機械的に連結され、それによって駆動される。電力グリッドに接続された電気負荷の変動時に、電気エネルギー保存装置は充電または放電され、補助発電機からの余剰電気エネルギーを吸収するか、補助発電機に電気エネルギーを提供する。知られた発電プラントは変動する負荷状況で安定した発電セットを提供するが、他のグリッド状況（例：短絡故障または低電圧ライドスルー）に対するさらに効果的で非常に速い反応が望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、負荷変動または短絡停電若しくは低電圧ライドスルー（ＬＶＲＴ）状況等の他のグリッド状況に対する発電プラントの反応性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は請求項１による発電プラントおよび請求項７の方法によって達成される。好適な実施態様は従属請求項において提供されている。
【０００５】
本発明によれば、電力変換装置（電力コンバータ）の第２の交流電圧ターミネータ（終端装置；ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ）が電力グリッド（送電網）に接続されている。従って、電力変換装置は電気的に電力グリッドに直接的に接続される。この直接接続によって、負荷変動に対する反応または他のグリッド状況に対する反応における発電プラントの反応性は改善できる。特に、エネルギー保存装置から電力グリッドに電気エネルギーを直接的に供給することが可能である。
【０００６】
加えて、電気エネルギーを電力グリッドに供給するために両方の発電機（主要発電機および補助発電機）を稼働することが可能であり、それら両発電機間で電力の分割が達成される。一方で主要発電機によって、他方で補助発電機によって提供されるこの電力の分割は、関与する全ての機械（内燃機関、主要発電機および補助発電機）の安定性を改善し、グリッド状況（ｇｒｉｄ  ｅｖｅｎｔｓ）中に、これらの機械を制御下に置き、例えば、速度超過または速度不足を発生させない。このことは、例えば、グリッドコード（ｇｒｉｄ  ｃｏｄｅ）要件によるグリッド状況中に、電力グリッドが発電プラントと接続された状態に残る必要があるときに特に重要である。
【０００７】
本発明の解決策で、内燃機関またはガスタービンを備えた発電セット（ゲンセット；ｇｅｎｓｅｔ）は、電気エネルギー保存装置と、バッテリでの標準的な始動手順と比してさらに高い回転速度の補助発電機とを使用してクランク回転させることができる。なぜなら、補助発電機の電力は通常のスタータ（始動機）の電力よりも大きいので、機関がさらに素早く始動できるからである。
【０００８】
本発明のさらなる利点には以下が含まれる：
・負荷変動および他のグリッド状況に対する素早い反応；
・増強された性能安定性；
・グリッドコードおよび負荷要件の遵守；
・発電セットが隔絶された電力グリッドにおいて稼働される場合における負荷拒絶性能および負荷許容性能の改善；
・過剰速度を制御し、別々な制動機構を回避；
・主要発電機の保守時における補助発電機による代理機能性；
・クランク機構の回避が可能；
・急速ランプ（ｒａｍｐ）での非常に素早い始動；
・補助発電機が電力グリッドに直接的な接続を有しておらず、電力変換装置を介して電力グリッドに接続されていることによるグリッド周波数に無関係な制御；および
・段階的負荷を平滑化し、機関に向けてグリッド過渡電流を送らないことによる電力グリッド内での衝撃吸収。
【０００９】
主要発電機の公称電力（定格電力；ｎｏｍｉｎａｌ  ｐｏｗｅｒ）と補助発電機の公称電力との電力比は、少なくとも１．５であり、好適には、その電力比は約４である。主要発電機は、例えば、８ＭＷの公称電力を有し、補助発電機は２ＭＷの公称電力を有する。従って、この例では、主要発電機と補助発電機は全体として１０ＭＷの電気出力を提供する。主要発電機は電力グリッドに直接的に接続され、補助発電機は電力変換装置を介して電力グリッドに接続される。この形態によって、全体的な電気出力の比較的小さな部分だけが電力変換装置を通過すればよい。従って、電力変換装置は、電気出力の全部が電力変換装置を通過しなければならない形態と比べてさらに効率が向上している。加えて、冷却の必要要件が緩い小型で安価な電力変換装置を使用することが可能である。
【００１０】
有利な実施態様によれば、主要発電機と補助発電機は別々の発電機として形成できる。主要発電機と補助発電機の両方は、内燃機関のモータシャフトに機械的に結合させることができる。
【００１１】
主要発電機と補助発電機は、内燃機関で駆動できる１体（単一）の発電機として形成することも可能であり、その場合には、主要発電機は発電機の固定子に配置された主要巻付構造を含んでおり、補助発電機は固定子に配置された補助巻付構造を含む。この実施態様による設計では、別体の物理的な補助発電機は不要である。これら巻付構造の導線はワニスコーティングによって絶縁できる。
【００１２】
主要巻付構造と補助巻付構造の巻付比は少なくとも１．５であり、好適には巻付比は約４である。このような設計形態では、巻付比は、主要発電機の公称電力と補助発電機の公称電力の比に対応する。
【００１３】
有利な実施態様によれば制御装置が活用され、電力グリッド及び／又は内燃機関及び／又は主要発電機及び／又は補助発電機及び／又はエネルギー保存装置のうちの少なくとも１つの稼働状況が、少なくとも１つの信号線を介して制御装置に伝達することが可能であり、そこで電力変換装置は、その少なくとも１つの稼働状況に応じて、制御線を介して制御装置により制御が可能である。その制御線を介して、制御装置は電力変換装置回路の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を制御し、電力通流方向と周波数とを制御する。
【００１４】
方法に関しては、電力変換装置の第２の交流電圧ターミネータが電力グリッドに接続され、電力グリッド及び／又は内燃機関及び／又は主要発電機及び／又は補助発電機及び／又はエネルギー保存装置の少なくとも１つの稼働状況に応じて、電力変換装置を流れる電気エネルギーの通流方向が制御される。
【００１５】
電力変換装置を通流する電気エネルギーの通流方向を制御することによって、例えば、内燃機関を能動的に制動し、発電セットによって提供される余剰エネルギーを不必要に散逸させないことが可能になる。
【００１６】
以下の電気エネルギー流または電力流は本発明の発電プラントで達成できる：
・電力流は通常運行状況においては電力変換装置を介して補助発電機から電力グリッドに流れる；
・もし電力グリッドからの電力需要が発電セットにより発生する電力より大きければ、電力は補助発電機と電気エネルギー保存装置から電力変換装置を介して電力グリッドに流れる；
・もし電力グリッドからの電力需要が発電セットにより発生する電力より小さく、電気エネルギー保存装置がそのエネルギーを吸収する容量を有していれば、電力は電力変換装置を介して補助発電機から電気エネルギー保存装置に流れる；
・内燃機関を始動するため、電力は電気エネルギー保存装置から、及び／又は電力グリッドから補助発電機に流れる；および
・電力は電力変換装置を介して電力グリッドから直接的に電気エネルギー保存装置に送られることも可能である。
【００１７】
もし電力グリッドの電力需要が、主要発電機と補助発電機で発生する全電気出力よりも大きければ、エネルギー保存装置で保存された電気エネルギーは、好適には電力変換装置を制御することで、電力変換装置を通過して電力グリッドに供給される。もし電力グリッドの電力需要が発電セットの実際の電力よりも大きければ、それも内燃機関の機関動力を高めるために利用でき、エネルギー保存装置から電力グリッドに電気エネルギーが搬送される。
【００１８】
さらに、もし電力グリッドの電力需要が、主要発電機及び／又は補助発電機によって提供される電気出力よりも小さければ、電気エネルギーは、好適には電力変換装置を制御することで、電力変換装置を通過して電力グリッド及び／又は補助発電機からエネルギー保存装置に供給される。もし電力グリッドの電力需要が発電セットの実際の電力よりも小さければ、それは内燃機関の機関動力を低減するためにも利用でき、電力グリッドからエネルギー保存装置を充電する。
【００１９】
特に、内燃機関の始動のため、内燃機関を補助発電機で始動するために電気エネルギーが電力変換機を通過してエネルギー保存装置及び／又は電力グリッドから補助発電機に、好適には電力変換装置を制御することによって供給される。
【００２０】
本発明のさらなる詳細と利点は添付の図面に照らした以下の説明により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の発電プラントの概略図である。
【図２】図２は、制御装置によって補完された図１の発電プラントを示す。
【図３】図３は、本発明の発電プラントの別実施例を示す。
【図４】図４は、電力変換装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、発電セットの形態の本発明の発電プラント１の概略図である。発電プラント１はレシプロ式ガス機関の形態の内燃機関２を含む。内燃機関２は、主要発電機３と補助発電機５とが機械的に取り付けられているモータシャフト１９を有する。主要発電機３と補助発電機５はモータシャフト１９を介して内燃機関２によって駆動が可能である。主要発電機３は電力グリッド４に電気的に接続されており、稼働状況において電気エネルギーを電力グリッド４に送る。
【００２３】
補助発電機５は、電力変換装置８の第１の交流電圧ターミネータ７に電気的に接続されているターミネータ６を有する。電力変換装置８の直流電圧ターミネータ９は電気エネルギー保存装置１０と電気的に接続されている。電気エネルギー保存装置１０を充電するために、補助発電機５のターミネータ６から電力変換装置８の第１の交流電圧ターミネータ７に電気エネルギーが通流する。電力変換装置８は補助発電機５により提供される交流電圧を直流電圧に変換し、この変換された電気エネルギーを、直流電圧ターミネータ９を介してエネルギー保存装置１０に提供する。この実施例では、電力変換装置８を通る電気エネルギーの通流方向は第１の交流電圧ターミネータ７から直流電圧ターミネータ９の方向である。
【００２４】
電力変換装置８は電力グリッド４に電気的に接続されている第２の交流電圧ターミネータ１１をさらに有している。これによって、電気エネルギー保存装置１０は、電気エネルギーが電力グリッド４から電力変換装置８の第２の交流電圧ターミネータ１１に通流するとき、電力グリッド４からも充電できる。電力変換装置８は電力グリッド４によって提供される交流電圧を直流電圧に変換し、この変換された電気エネルギーを、直流電圧ターミネータ９を介して電気エネルギー保存装置１０に提供する。この実施例では、電力変換装置８を通流する電気エネルギーの通流方向は第２の交流電圧ターミネータ１１から直流電圧ターミネータ９の方向である。
【００２５】
内燃機関２をサポートするため、例えば、始動理由でサポートするため、または、もし電力グリッド４の電力需要が急勾配ピークを有しているなら、エネルギー保存装置１０は保存された電気エネルギーを補助発電機５に供給できる。この実施例では、補助発電機５は内燃機関２をサポートする追加のモータとして稼働され、電力変換装置８を通過する電気エネルギーの通流方向は直流電圧ターミネータ９から第１の交流電圧ターミネータ７の方向である。
【００２６】
もし電力グリッド４からの急激な電力需要が発生したら、エネルギー保存装置１０は保存された電気エネルギーを電力グリッド４に直接的に提供することができる。この実施例では、電力変換装置８を通過する電気エネルギーの通流方向は、直流電圧ターミネータ９から第２の交流電圧ターミネータ１１の方向である。
【００２７】
１例として、主要発電機３は公称電力１０ＭＷを有し、補助発電機５は公称電力２ＭＷを有することができる。電力変換装置８は、交流電圧からの６００Ｖから１２００Ｖの約２ＭＷを直流電圧に変換でき、その逆にも変換できる。エネルギー保存装置１０は約１６Ｆの容量のスーパーキャパシタの形態でよい。
【００２８】
図２は、図１による本発明の発電プラント１を示す。図１の発電プラント１に加えて制御装置１６が活用されている。信号線１７を介して、内燃機関２、主要発電機３、補助発電機５、電力グリッド４および電気エネルギー保存装置１０の稼働状況が制御装置１６へと伝達される。制御装置１６から電力変換装置８への少なくとも１本の制御線１８を介して、制御装置１６は電力変換装置８に指令し、電力変換装置８を通る電気エネルギーの通流方向を制御する。
【００２９】
この実施例で、以下の稼働状況が信号線１７を介して制御装置１６に伝達される：電力グリッド４からの電力需要、主要発電機３の実際の電力、補助発電機５の実際の電力、内燃機関２の機関速度、並びにエネルギー保存装置１０に保存された実際の電気エネルギー及び／又は電圧である。その少なくとも１本の制御線１８を介して、電力変換装置８は、稼働状況に応じて、制御装置１６により指令を受ける。
【００３０】
図３は、本発明の発電プラント１の別実施例を示す。この実施例では、主要発電機３と補助発電機５の両方は、モータシャフト１９を介して内燃機関２によって駆動可能な１体の発電機１２として形成される。発電機１２は、主要巻付構造１３と補助巻付構造１５とを装備した固定子１４を含む。主要発電機３は主要巻付構造１３を含み、補助発電機５は補助巻付構造１５を含む。このような設計は１体の物理的発電機１２が必要となるだけという利点を有する。
【００３１】
図４は、本発明の発電プラント１の別実施例を示す。利用可能な電力変換装置８の１例がさらに詳細に図示されている。第１の電圧ターミネータ７、直流電圧ターミネータ９および第２の交流電圧ターミネータ１１を介した、電力変換装置８を通過する電気エネルギーの通流方向は、制御装置１６、制御線１８、ラインサイドクアッド変換装置（ｌｉｎｅ  ｓｉｄｅ  ｑｕａｄ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２１、保存コントローラ２２、発電機サイドクアッド変換装置（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｓｉｄｅ  ｑｕａｄ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２３および対応する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のためのドライバーカード２０の手段によって制御される。ラインサイドクアッド変換装置２１、保存コントローラ２２および発電機サイドクアッド変換装置２３は、主要制御装置１６とＩＧＢＴドライバーカード２０との間の副次的コントローラである。ドライバーカード２０を介して、トランジスタ（ＩＧＢＴ）のゲートピンは副次的コントローラ（ラインサイドクアッド変換装置２１、保存コントローラ２２および発電機サイドクアッド変換装置２３）に接続される。
【００３２】
デジタル電圧信号（例：０Ｖから２Ｖ）を使用して、副次的コントローラは開いた稼働状況と閉じた稼働状況の間でトランジスタを制御でき、電気エネルギー流は電力変換装置８内で制御できる。特に、第１の交流電圧ターミネータ７、直流電圧ターミネータ９および第２の交流電圧ターミネータ１１を介した電力変換装置８を通過する電気エネルギーの通流方向が制御できる。
【００３３】
これによって、例えば、もし電力グリッド４の電力需要が、主要発電機３と補助発電機５により提供される全体的な電気出力よりも大きければ、電気エネルギー保存装置１０に保存された電気エネルギーが、直流電圧ターミネータ９と第２の交流電圧ターミネータ１１を介して電力変換機８を通って電力グリッド４に供給されることも可能である。
【００３４】
もし電力グリッド４の電力需要が、主要発電機３及び／又は補助発電機５により提供される電気出力よりも小さければ、電気エネルギーは電力グリッド４及び／又は補助発電機５から電力変換装置８を通ってエネルギー保存装置１０に、第２の交流電圧ターミネータ１１及び／又は第１の交流電圧ターミネータ７および直流電圧ターミネータ９を介して供給することも可能である。
【００３５】
補助発電機５を備えた内燃機関２を始動するため、電気エネルギーが電力変換装置８を通って、直流電圧ターミネータ９及び／又は第２の交流電圧ターミネータ１１および第１の交流電圧ターミネータ７を介して補助発電機５にエネルギー保存装置１０及び／又は電力グリッド４から供給されることもさらに可能である。
【図１】
2016096714.tif 000003
【図２】
2016096714.tif 000004
【図３】
2016096714.tif 000005
【図４】
2016096714.tif 000006
【外国語明細書】
2016096714000001.pdf