JP6873749B2 - スマートグリッド同期化スキーム - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、電力グリッドに関し、より詳細には、発電機と電力グリッドとの間の同期を改善することに関する。

発電機は、電力グリッドが１つ又は複数の負荷に電力供給するための電気を提供するためにしばしば使用される。発電機は、ガスタービン、蒸気タービン、又は別のプライムムーバ等のタービンの動作に基づいて或る電圧振幅、位相、及び周波数で動作する場合がある。例えば、タービンは、発電機内で回転するシャフトに回転エネルギーを提供する場合がある。シャフトは、タービンに入る空気及び燃料の量等のタービンの種々の設定に基づいて回転する場合がある。電力を電力グリッドにエクスポートするため、発電機によって生成される電力は、電力グリッド上の電力と同期するように制御され、回路ブレーカは、発電機を電力グリッドに電気結合するためクローズされる。すなわち、発電機によって提供される電圧振幅、位相、及び周波数等の発電機によって生成される電力のパラメータは、回路ブレーカをクローズする前に、電圧振幅、位相、及び周波数等のグリッドのそれぞれのパラメータの範囲内に入るように制御される場合がある。

従来のシステムは、ブレーカの両端の電圧が検知され、生成される電圧が、電圧レギュレータにデジタルオン／オフパルスを送信することによってグリッド電圧を満たすように調整されて、発電機の電圧及び速度を調整する、同期化スキームを含む場合がある。これらのパルスは、発電機電圧に適合するために使用され、タービンの速度を増減して、位相角をグリッドに適合させる。しかし、電力グリッドの電圧及び位相角に対応するタービンの速度を見出そうとするには、かなりの時間量がかかり、同期化を遅延させる場合がある。更に、応答時間の遅延は、弱い又は動的なグリッド中に増大され、手動介入をもたらす場合があり、それは、同期化するには更なる時間がかかる場合がある。発電機電力を電力グリッドと同期させるには、増加した時間量がかかる場合があるため、グリッドは、過負荷になる又は更に不安定化し、停電をもたらす場合がある。代替的に及び／又は付加的に、タービンは、同期化中に電力を浪費し、燃料の効率的でない使用をもたらす場合がある。

米国特許出願公開第２０１４／０２１０２８２号明細書

当初特許請求される本発明と範囲が一致する或る実施形態が以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を制限することを意図されるのではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の考えられる形態の簡潔な要約を提供することだけを意図される。実際には、本発明は、以下で述べる実施形態と同様であるか又は異なる場合がある種々の形態を包含することができる。

第１の実施形態において、制御システムは、命令を記憶するメモリとプロセッサとを含み、プロセッサは、命令を実行するように構成され、また、電力グリッド電圧の第１の指示を受信し、電力グリッド位相角の第２の指示を受信し、発電機によって提供される電力の発電機電圧の第３の指示を受信し、発電機によって提供される電力の発電機位相角の第４の指示を受信し、発電機電圧と電力グリッド電圧との電圧ギャップ及び発電機位相角と電力グリッド位相角との時間差を決定し、発電機電圧及び発電機位相角が、電圧ギャップ及び時間差に少なくとも部分的に基づいて、電力グリッド電圧及び電力グリッド位相角とそれぞれ同期するようにさせる信号を生成するように構成される。

第２の実施形態において、制御システムのプロセッサによって実行されるように構成される命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、構成される命令は、プロセッサが、電力グリッド上の電力の電圧位相角の指示を受信し、発電機によって提供される電力の電圧位相角の指示を受信し、発電機電圧位相角と電力グリッド電圧位相角との時間差を決定し、時間差に少なくとも部分的に基づいて発電機電圧位相角を制御する第１の信号を送信し、時間差が或る公差以内であるときに回路ブレーカをクローズし、それにより、電力グリッドを発電機に電気結合する、信号を回路ブレーカに送信するようにさせる。

第３の実施形態において、方法は、プロセッサによって、電力グリッド上の電力の電力グリッド電圧を示す電力グリッド信号を受信すること、プロセッサによって、発電機によって提供される電力の発電機電圧を示す発電機信号を受信すること、プロセッサによって、発電機電圧と電力グリッド電圧との電圧ギャップを決定すること、及び、プロセッサによって、発電機電圧を制御するコントローラを調整する信号を送信することであって、それにより、発電機が電圧ギャップのマグニチュードに基づいて同期するようにさせる、送信することを含む。

本開示のこれらのまた他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照して読まれるとよりよく理解される。図面において、同様の記号は図面全体を通して同様の部分を示す。

発電機によって提供される電力を電力グリッド上の電力と同期させる制御システムを有する同期化システムのブロック図である。 図１の電力グリッド及び発電機から制御システムによって受信されるデータのグラフである。 発電機によって提供される電力を電力グリッド上の電力と同期させるため、図１の制御システムのプロセッサによって実施されるプロセスのフロー図である。

本発明の１つ又は複数の特定の実施形態が以下で述べられる。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、本明細書において、実際の実装形態の全ての特徴が述べられない場合がある。こうしたいかなる実際の実装形態の開発においても、いずれの工学的プロジェクト又は設計プロジェクトの場合とも同様に、実装形態ごとに異なる場合があるシステム関連制約及びビジネス関連制約の順守等の、開発者の特定の目標を達成するための多数の実装形態固有の意思決定が行われなければならないことが認識されるべきである。更に、こうした開発努力は、複雑で時間がかかるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとって、設計、製作、製造の日常的な仕事であることが認識されるべきである。

本発明の種々の実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素の１つ又は複数が存在することを意味することを意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包含的であることを意図され、挙げた要素以外の更なる要素が存在する場合があることを意味する。

本開示の実施形態は、発電機からの電力を、不安定な電力グリッド上の電力に結合するブレーカをクローズするときに同期化遅延を低減するシステム及び方法に関する。慣例的に、発電機は、タービンの速度及び／又は発電機の励磁を増減させるデジタルパルスに基づいて電力グリッドと同期される場合がある。パルスに基づいて、タービン及び／又は発電機は、設定（例えば、空気及び燃料の流量）を調整して、発電機によって提供される電力の電圧マグニチュード及び位相角を、電力グリッド上の電力の電圧及び位相角の範囲内にもたらす場合がある。例えば、グリッドが不安定である場合、電力グリッドの電圧及び位相角の微小振動は、発電機によって提供される電力を電力グリッドの電力と同期させる電圧及び位相角を探索するのにかかる時間の増加をもたらす場合がある。発電機電力を電力グリッドと同期させるのに増加した時間量がかかる場合があるため、グリッドは、過負荷になる又は更に不安定化し、停電をもたらす場合がある。代替的に及び／又は付加的に、タービンは、同期化中に電力を浪費し、燃料の効率的でない使用をもたらす場合がある。

制御システムは、発電機が電力グリッドに電気結合することを可能にする電圧及び周波数公差以内になるよう、発電機を同期化するときの遅延に対処するために使用されてもよい。制御システムは、電力グリッド上の電力の電圧及び位相角（例えば、電圧位相角）を示す、電力グリッドに結合された電力グリッド電圧検知変圧器から電力グリッド信号を受信してもよい。制御システムは、発電機によって提供される電力の電圧及び位相角（例えば、電圧位相角）を検出する、発電機から延在する電力線に結合した発電機電圧検知変圧器から発電機信号を受信してもよい。制御システムは、電力グリッド電圧と発電機電圧との電圧ギャップを計算することによって、また、電力グリッドの位相角と発電機によって提供される電力の位相角との時間ギャップを計算することによって、発電機によって提供される電力の電圧及び位相角を同期化してもよい。制御システムは、その後、計算された電圧ギャップ及び時間ギャップに基づいてタービンの速度及び／又は発電機の励磁を制御する信号を自動電圧レギュレータに送信してもよい。

前置きとして、図１は、圧縮機１４、燃焼器１６、及びタービン１８を有するガスタービン１２を含む電力同期化システム１０の図である。ガスタービン１２は、圧縮機１４によって圧縮される空気２０を受取る。圧縮空気は燃料２２と混合され、空気燃料混合物は、燃焼器１６内で燃焼される。空気及び燃料の燃焼混合物は、タービン１８の１つ又は複数のブレードを回転させるために使用されてもよい。タービン１８のロータは、シャフト２４に結合されて、回転エネルギーを発電機２６に提供してもよい。ガスタービン１２が述べられるが、電力を生成するどんな発電システム（例えば、蒸気又は別のプライムムーバ）も、本明細書で述べる実施形態に従って使用されるのに適する場合がある。

発電機２６は、シャフト２４の回転エネルギーを電気に変換して、電力を電力グリッド２８に提供する。電力グリッド２８及び／又は発電機２６はそれぞれ、１０．５キロボルト（ｋＶ）以下、１１ｋＶ、又は１１．５ｋＶ以上等の公称電圧で動作してもよい。発電機２６は、回路ブレーカ３０をクローズすることによって電力グリッド２８に電気的に結合されてもよくかつ／又は回路ブレーカ３０をオープンすることによって電力グリッド２８から電気的に切離されてもよい。電力グリッド２８に対する接続の安定性を保証するため、ガスタービン１２及び／又は発電機２６の動作特性は、回路ブレーカ３０をクローズする前に、電力グリッド２８の電力特性と同期されてもよい。位相の数、位相の回転、電圧窓、周波数窓、及び位相角窓等の更なる考慮事項は、同期化を可能にし、それにより、回路ブレーカ３０のクローズを可能にすると考えられてもよい。更に、位相の数及び位相の回転は、機器選択時に検証されてもよい。ガスタービン１２の物理的特性（例えば、回転、トルク等）に対応する、発電機２６によって提供される電力の電圧振幅、位相、及び／又は周波数は、空気２０及び燃料２２等の、ガスタービン１２への入力を調整することによって、電力グリッド２８の電圧振幅、位相、及び／又は周波数に適合するように調整されてもよい。発電機２６によって生成される電圧振幅、位相、及び／又は周波数が電力グリッド２８の電圧振幅、位相、及び／又は周波数の許可範囲内（例えば、電圧窓内、周波数窓内、及び／又は位相窓内）にあるとき、制御システム３２は回路ブレーカ３０をクローズする信号を送信する。

先に述べたように、電力グリッド２８及び発電機２６の電圧及び位相は、回路ブレーカ３０をクローズする前に、許容可能範囲内で同期化されてもよい。発電機２６によって提供される電圧特性は、発電機励磁電圧を変更することによって（例えば、発電機の磁界を制御することによって）、自動電圧レギュレータ（ＡＶＲ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）４２を介して制御されてもよい。ユニット当たり（ＰＵ：ｐｅｒ ｕｎｉｔ）１のＡＶＲ４２の設定は、公称グリッド電圧から導出されてもよい。更に、電力グリッド２８の位相角及び発電機２６によって生成される電力の位相角は、（例えば、空気２０及び燃料２２を介して）ガスタービン１２の速度を制御することによって同期されてもよい（例えば、適切に適合されてもよい）。幾つかのシステムにおいて、電圧及び位相角は、デジタル同期化器モジュール（ＤＳＭ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｒ ｍｏｄｕｌｅ）によって制御されてもよく、デジタル同期化器モジュール（ＤＳＭ）は、デジタルパルス信号をプライムムーバ速度ガバナーに送信して、所望の電圧及び／又は位相角が見出されるまで発電機の電圧及び／又は位相角を増分することによって所望の電圧レベルを探し回る。例えば、ＤＳＭは、パルスを送信して、最も近い位相一致の方向にガスタービン１２の速度を変更してもよい。電圧窓に関して、ＤＳＭは、パルスを送信して、発電機励磁電圧を変更してもよい。しかし、電力グリッド２８が不安定であるとき（例えば、電圧変動が、安定なグリッドより大きい可能性がある場合）、制御ループ内でパルスに基づいて所望の電圧窓及び位相角窓を達成することは、遅延をもたらす場合がある。更に、遅延は、パルスが不安定なグリッドの変動を反映しないため、所望の電圧及び／又は位相角に達するためオペレータ又はグリッドディスパッチャがＡＶＲ４２設定に介入又はＡＶＲ４２設定を変更することを伴う場合がある。

電圧及び／又は位相角を同期させるときに遅延を減少させるため、電力同期化システム１０は、プロセッサ３４又は複数のプロセッサ及びメモリ３６を有する制御システム３２を含んでもよい。プロセッサ３４は、メモリ３６に動作可能に結合されて、現在のところ開示される技法を実施するための命令を実行してもよい。これらの命令は、メモリ３６及び／又は他のストレージ等の有形の非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されるプログラム又はコードに符号化されてもよい。プロセッサ３４は、汎用プロセッサ、システムオンチップ（ＳｏＣ：ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−ｃｈｉｐ）デバイス、特定用途向け集積回路、又は何らかの他のプロセッサ構成であってよい。

メモリ３６は、任意の非一時的コンピュータ可読媒体、例えば、限定することなく、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、ディスケット、フラッシュドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び／又は、プロセッサ３４が命令及び／又はデータを記憶する、取り出す、かつ／又は実行することを可能にする任意の適したデバイスを含んでもよい。メモリ３６は、１つ又は複数のローカル及び／又は遠隔記憶装置ストレージデバイスを更に含んでもよい。

制御システム３２は、電力グリッド２８の電力特性を検出する電力グリッド電圧検知変圧器（ＶＴ）３８及び発電機２６によって提供される電力の電力特性を検出する発電機電圧検知変圧器（ＶＴ）４０によって１つ又は複数の信号を受信するようにプログラムされてもよい又は構成されてもよい（例えば、プロセッサ３４及びメモリ３６によって実施されてもよい）。例えば、プロセッサ３４は、電力グリッド２８及び発電機２６上の電力の電圧マグニチュード、位相、及び／又は周波数をそれぞれ示す信号を、電力グリッドＶＴ３８及び発電機ＶＴ４０を介して受信してもよい。プロセッサ３４は、信号エイリアシングを回避するサンプルレート（例えば、１サイクル当たり８回より大きな回数）で電力グリッドＶＴ３８及び／又は発電機ＶＴ４０の電圧のサンプル値を受信してもよい。更に、安定したサンプルを保証するため、プロセッサ３４は、例えば、１サイクル、２サイクル、５サイクル、１０サイクル、又はそれより多いサイクル等のプリセット時間又はプリセット数のサイクル（すなわち、期間）の間、サンプルを受信してもよい。例えば、５０ヘルツで５サイクルは約１００ミリ秒（ｍｓ）かかる場合がある。プロセッサ３４は、受信サンプル値を、時間値における電圧値（Ｖ，Ｔ）に関連する座標に変換してもよい。

制御システム３２は、ＡＶＲ４２及びヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ：ｈｕｍａｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）に通信可能に結合されてもよい。ＨＭＩは、ディスプレイ及び／又は他の入力及び出力を含んで、オペレータが、電圧窓の公差限界、位相角窓の位相角限界等のようなオプション／値を選択することを可能にする。更に、ＨＭＩは、制御システム３２によって受信される信号のデータが観察されることを可能にしてもよい。制御システム３２は、イーサネット（登録商標）、無線接続、又は任意の他の適した方法によって通信可能に結合されもよい。

図２は、所定時間５０にわたる１サイクル中の経時的な電圧の変動を示す発電機波形５２及び経時的な電圧の変動を示すグリッド波形５４の例のグラフ４８を示す。プロセッサ３４は、電力グリッドＶＴ３８を介して電力グリッド２８上の電圧を、また、発電機ＶＴ４０を介して発電機２６によって提供される電圧を受信してもよい。グラフ４８は、制御システム３２、ＡＶＲ４２、又はＨＭＩ４４に関連するディスプレイ上に表示されてもよいが、グラフ４８は、例証であることを意味され、データは、表示されることなく、プロセッサ３４によって単に処理されてもよい。グラフ４８に示すように、波形５２及び５４上に乗る各座標は、各サンプルからプロセッサ３４によって決定されてもよく、また、発電機波形５２及び／又は電力グリッド波形５４の電圧及び時間値を含んでもよい。波形の対応する値は、例えば、対応するポイント（例えば、ゼロ交差、時間、電圧等）についての電力グリッド電圧と発電機電圧との差を計算するために使用されてもよい。

図３は、ブレーカがクローズされるようにガスタービンを電力グリッドと同期させるためのプロセス５６を示す。図３は、図２のグラフ４８に関連して以下で論じられる。以下で述べるプロセス５６は、プロセッサ３４によって実行される命令（例えば、実行用コード）として制御システム３２のメモリ３６に記憶されてもよい。ブロック５８にて、プロセッサ３４は、電力グリッド２８の所望の電圧を満たすよう発電機２６が構成されるように、ＡＶＲ４２設定点をＶ_gridになるように調整することによって始まってもよい。

ブロック６０及び６２にて、プロセッサ３４は、電力グリッドＶＴ３８データサンプル及び発電機ＶＴ４０データサンプルをそれぞれ収集してもよい。例えば、図２に示すように、プロセッサ３４は、座標６４（Ｖ₂，Ｔ₁）に対応する電力グリッド電圧を示す信号及び座標６６（Ｖ₁，Ｔ₁）に対応する発電機電圧を示す信号を受信してもよい。ブロック６８及び７０にて、プロセッサ３４は、その後、Ｖ_gridサンプル及びＶ_genサンプルをデータアレイでそれぞれ記憶してもよい。

更に、ブロック７２にて、プロセッサ３４は、プリセットされた閾数のサンプルに達するまでサンプルを収集し続けてもよい。例えば、制御システム３２が、幾つかのサイクルの間に１サイクル当たり幾つかの（例えば、８つの）サンプルを測定するように構成される場合、プロセッサ３４は、閾数（例えば、４０）のサンプルが測定されるまで電力グリッドＶＴ３８及び発電機ＶＴ４０のそれぞれからサンプルを収集し続けてもよい。プロセス５６は、ブロック６２及び７０と並列にブロック６０及び６８を示すが、幾つかの実施形態において、これらのステップは、同時にではなく順次に実施されてもよい。例えば、ブロック６０及び６８は、ブロック６２及び７０に先行してもよい、又は、その逆も同様である。

ブロック７２にて、プリセット閾値に達すると、プロセッサ３４は、その後、Ｖ_gridサンプルとＶ_genサンプルとの電圧ギャップを計算してもよい。グラフ４８から、以下の式が導出されてもよい：
電圧ギャップ（Ｖ_gap）＝Ｖ₂−Ｖ₁＝Ｖ_grid−Ｖ_gen （１）
ここで、Ｖ₂は時間Ｔ₁における電力グリッド電圧であり、Ｖ₁は時間Ｔ₁における発電機電圧である。更に、プリセット数のサイクルの間、サンプルは、二乗平均平方根（ＲＭＳ：ｒｏｏｔ ｍｅａｎｓ ｓｑｕａｒｅ）の計算のために使用されてもよく、Ｖ_gapの平均電力は、ブロック７４にて計算される：
Ｖ_gap＝ＲＭＳ（Ｖ_grid,i）−ＲＭＳ（Ｖ_gen,i） （２）
ここで、ｉはサンプル数である。

ブロック７６にて、プロセッサ３４は、Ｖ_genとＶ_gridとの間の許容公差である公差又はパーセンテージ閾電圧（Ｖｄ％）値を受信してもよい。プロセス５６がＨＭＩ４４を介して公差値の選択を受信することを含むが、他の実施形態において、プロセッサ３４は、単にデフォルトプリセット値（例えば、１％、３％、又は５％）を有してもよい。更に、幾つかの実施形態において、システム構成に基づく公差をカスタマイズするためデフォルト値をオペレータが変更するとき、プロセッサ３４は、ＨＭＩ４４を介して調整済み値を受信してもよい。

ブロック７８にて、プロセッサ３４は、Ｖ_gen値がＶ_grid値の公差レベルより大きいかどうかを判定してもよい。Ｖ_genがＶ_gridに対する公差値（Ｖｄ％）より大きい場合、プロセッサ３４は、以下で論じるように、同様にタイミング公差閾値を決定する。タイミング閾値と電圧閾値の両方が満たされる（ブロック８０）場合、ブロック８２にて、プロセッサ３４は、ブレーカ３０をクローズする信号を送信してもよい。

ブロック１８３にて、電圧閾値が満たされなかった場合、プロセッサ３４は、Ｖ_gapに基づいて発電機電圧を調整する信号をＡＶＲ４２に送信してもよい。例えば、プロセッサ３４は、電力グリッド２８と発電機グリッド２６との電圧差をＡＶＲ４２が反映するために、イーサネット（登録商標）を介して、調整済み発電機電圧を送信してもよい。すなわち、発電機電圧を電力グリッド２８の電圧に適合させるため探し回る又は探索するのではなく、プロセッサ３４は、発電機２６の電圧と電力グリッド２８の電圧との差を決定し、それにより、同期化のために発電機２６によって提供される電圧を調整する時間量を減少させてもよい。

ブロック８４にて、プロセッサ３４は、同期化プロセス中にＡＶＲ４２の比例−積分−微分（ＰＩＤ）利得を更新する信号をＡＶＲ４２に送信してもよい。すなわち、制御システム３２は、同期化プロセス中にＰＩＤ利得因子を調整することによってＡＶＲ４２のより高速な電圧応答を可能にして、ＰＩＤコントローラにおいてプリセット値を使用するよりも高速な同期化を達成してもよい。例えば、ＡＶＲ４２ＰＩＤ制御の比例（ＫＰＲ）及び積分（ＫＩＲ）利得は、電圧ランプレートを増減するため動的に調整されることになる。ＡＶＲ４２のＰＩＤ制御因子を変更することによって、発電機２６によって提供される電圧と電力グリッド２８の電圧との間の誤差を減少させる反応時間は、利得因子として一定値を使用することと比較して低減される場合がある。したがって、プロセッサ３４によってＡＶＲ４２に送信され、発電機２６を制御する制御信号は、プリセット利得因子を使用するＡＶＲ４２と比較して、電力グリッド２８との高速な同期化を可能にする場合がある。

プロセッサ３４は、発電機電圧に基づいてＫＰＲ及びＫＩＲ因子を更新し、更新済みＫＰＲ及びＫＩＲ因子を示す信号をＡＶＲ４２に送信してもよい。プロセッサ３４は、ルックアップテーブルを利用して、ＡＶＲ応答レートを調整するために使用される利得値を制御してもよい。以下のテーブル１は、ＡＶＲ応答レートを調整するために使用されてもよい値の例である。

ＡＶＲ４２は、その後、ＫＰＲ及びＫＩＲ値を受信して、ＡＶＲ応答レートを調整してもよい。受信された値に基づいて、ＡＶＲ４２は、発電機の励磁を迅速に増減する信号を発電機励磁回路に送信し、それにより、発電機２６によって提供される電圧を制御してもよい。例えば、電力グリッド上の電圧と発電機によって提供される電圧との差が小さな差である場合、プロセッサ３４は、ＰＩＤコントローラで使用されるＫＰＲ及びＫＩＲの低い値を送信して、グリッドの電圧と発電機の電圧との差を減少させながら、ターゲット電圧をオーバシュートする可能性を減少させてもよい。逆に、グリッド電圧と発電機電圧との差が、小さな差より大きい場合、プロセッサ３４は、ＡＶＲによって使用される、より大きなＫＰＲ及びＫＩＲ値を送信して、（小さな差と比較して）差をより積極的に減少させてもよい。すなわち、プロセッサ３４は、ＡＶＲ４２のＰＩＤコントローラを調整する信号を送信して、電圧ギャップのマグニチュードがルックアップテーブルから選択される利得値に比例する場合、電圧ギャップのマグニチュードに基づいて発電機２６を同期させてもよい。ＡＶＲ４２のＰＩＤ設定を調整する信号を送信することによって、プロセッサ３４は、発電機２６によって生成される電力が、電圧を適合させるために探索するパルス技法より高速なレートで同期することを可能にしてもよい。

ブロック８５にて、プロセッサ３４は、電力グリッド２８の電圧及び発電機２６によって提供される電圧がゼロである時間（すなわち、Ｖ_grid及びＶ_gen＝０である時間）に対応する座標のサンプルに基づいてゼロ交差時間を特定してもよい。例えば、図２に示すように、プロセッサ３４は、電力グリッド波形５４及び発電機波形５２のゼロ交差時間として座標８６（Ｖ₀，Ｔ_b）及び座標８８（Ｖ₀，Ｔ_a）をそれぞれ特定してもよい。更に、ブロック９０にて、プロセッサ３４は、位相シフトを計算してもよく、位相シフト（Ｔ_b−Ｔ_a）は、電力グリッドの電圧がゼロ電圧ライン（Ｔ_b）に交差するときと、発電機によって提供される電圧がゼロ電圧ライン（Ｔ_a）に交差するときとの時間差である。

ブロック９２にて、プロセッサ３４は、電力グリッド２８の位相と発電機２６の位相との間の公差を示す位相角（例えば、Φ）の選択を受信してもよい。幾つかの実施形態において、その値はＨＭＩ４４を介してユーザから入力されるものとしてプリセットされてもよい。ブロック９４にて、プロセッサ３４は、以下の式を使用して位相角を時間閾値（Ｔ_d）に変換してもよい：

ここで、Φは受信される位相角（度単位）であり、Ｆはシャフト２４の周波数である。

その後、プロセッサ３４は、発電機の時間Ｔ_genを時間閾値Ｔ_dと比較してもよい。Ｔ_genが閾値Ｔ_d以上であり（ブロック９６）、Ｖ_genがＶｄ％より大きい（ブロック８０）場合、プロセッサ３４は、ブロック８２にてブレーカクローズを実施する信号を送信してもよい。Ｔ_genがＴ_d以上でなくかつＶｄ％以上でない場合、プロセッサは、以下で論じるように発電機速度を調整してもよい。

ブロック９８にて、プロセッサ３４は、ＲＰＭ速度の所望の変化（ｄＳｐｅｅｄ）を計算してもよい。以下で述べるように、位相シフトを補償するため、タービン速度は、計算されたＲＰＭに基づいて増減されてもよい。

ここで、ＲＰＭは、発電機２６内のシャフト２４の１分当たりの回転数である。式（４）から、発電機２６が２極発電機２６である場合、以下の式が導出される場合がある：

ここで、Ｔは時間周期（１／Ｆ）である。したがって、ＲＰＭ速度の所望の変化は、以下の式によって決定されてもよい：

ブロック１００にて、制御システム３２は、その後、目下の発電機ＲＰＭ速度（ＮＳＤＲｅｆ）及びＲＰＭ速度の所望の変化に基づいて発電機ＲＰＭ速度を調整する信号をガスタービン１２に送信してもよい。例えば、制御システム３２は、調整済み発電機ＲＰＭ速度設定を速度ガバナーに送信して、発電機２６の位相角と電力グリッド２８の電圧の位相角との差を反映してもよい。すなわち、発電機位相を電力グリッド２８の位相に適合させるため探し回る又は探索する代わりに、プロセッサ３４は、発電機２６の位相角と電力グリッド２８の位相角との差を決定してもよい。その後、プロセッサ３４は、調整済み発電機ＲＰＭ設定を示す信号を速度ガバナーに送信して、同期化のためにタービン速度を調整する時間量を減少させ、それにより、ブレーカ３０をクローズする時間を減少させてもよい。

本発明の技術的効果は、発電機によって提供される電力を電力グリッド上の電力に同期させるため発電機及びガスタービンを制御する信号を自動電圧レギュレータ（ＡＶＲ）及び速度ガバナーに送信することを含む。幾つかの実施形態において、制御システムは、電力グリッド及び発電機から電圧及び位相角を受信する。或る実施形態において、制御システムは、発電機電圧と電力グリッド電圧との電圧ギャップ及び発電機位相角と電力グリッド位相角との時間差を決定する。幾つかの実施形態において、制御システムは、電圧ギャップ及び時間差に基づいて、発電機電圧及び発電機によって提供される電力の発電機位相角を調節する信号を送信してもよい。ＡＶＲに信号を送信することによって、ガスタービンの速度は電力グリッドと同期するように制御される。

この書面による説明は、最良モードを含む本発明を開示するために、また同様に、任意のデバイス又はシステムを作り使用すること、及び、組込まれる任意の方法を実施することを含む、本発明を当業者が実施することを可能にするために例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思い付く他の例を含んでもよい。こうした他の例は、特許請求の範囲の逐語的言語と異ならない構造的要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の逐語的言語と非実質的相違を有する等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図される。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
制御システム（３２）であって、
命令を記憶するメモリ（３６）と
プロセッサ（３４）とを備え、前記プロセッサ（３４）は、前記命令を実行するように構成され、また、
電力グリッド（２８）電圧の第１の指示を受信し、
電力グリッド（２８）位相角の第２の指示を受信し、
発電機（２６）によって提供される電力の発電機（２６）電圧の第３の指示を受信し、
発電機（２６）によって提供される電力の発電機（２６）位相角の第４の指示を受信し、
前記発電機（２６）電圧と前記電力グリッド（２８）電圧との電圧ギャップを決定し、前記発電機（２６）位相角と前記電力グリッド（２８）位相角との時間差を決定し、
前記発電機（２６）電圧及び前記発電機（２６）位相角が、前記電圧ギャップ及び前記時間差に少なくとも部分的に基づいて、前記電力グリッド（２８）電圧及び前記電力グリッド（２８）位相角とそれぞれ同期するようにさせる信号を生成する
ように構成される、制御システム（３２）。
［実施態様２］
前記プロセッサ（３４）は、前記電圧ギャップが減少するように前記発電機（２６）電圧を制御する電圧レギュレータ（４２）に前記信号を送信するように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様３］
前記プロセッサ（３４）は、前記電力グリッド（２８）と前記発電機（２６）との間の同期化中に、コントローラ（４２）の比例、積分、又は微分（ＰＩＤ）利得因子のうちの少なくとも１つを調整するため前記信号を送信するように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様４］
前記プロセッサ（３４）は、前記電圧ギャップのマグニチュードに基づいて前記ＰＩＤ利得因子の少なくとも１つを調整するように構成される、実施態様３に記載の制御システム（３２）。
［実施態様５］
前記プロセッサ（３４）は、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）（４４）を介した又は前記メモリ（３６）から取り出された、前記電力グリッド（２８）電圧と前記発電機（２６）電圧との間の許容される公差の閾値を取得して、前記発電機（２６）電圧及び前記発電機（２６）位相角が、前記電力グリッド（２８）電圧及び前記電力グリッド（２８）位相角と同期されると見なされるときを制御するように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様６］
前記プロセッサ（３４）は、電圧検知変圧器（３８）から前記第１及び第２の指示を受信するように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様７］
前記プロセッサ（３４）は、
対応するポイントにおいて前記電力グリッド（２８）電圧及び前記発電機（２６）電圧の測定済みサンプルを取得し、
前記サンプリング済み発電機（２６）電圧から前記サンプリング済み電力グリッド（２８）電圧を減算し、
前記電圧ギャップを、前記サンプリング済み電力グリッド（２８）電圧と前記サンプリング済み発電機（２６）電圧との前記差として特定する
ように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様８］
前記電力グリッド（２８）から前記第１及び第２の指示を受信する第１の電圧検知変圧器（３８）と、
前記発電機（２６）によって提供される電力の前記第３及び第４の指示を受信する第２の電圧検知変圧器（４０）とを備える、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様９］
前記プロセッサ（３４）は、前記時間差に少なくとも部分的に基づいてタービン（１２）の速度の変化を決定するように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様１０］
前記プロセッサ（３４）は、二乗平均平方根電圧ギャップを前記電圧ギャップとして決定するように構成される、実施態様１に記載の制御システム（３２）。
［実施態様１１］
制御システム（３２）のプロセッサ（３４）によって実行されるように構成される命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令は、前記プロセッサ（３４）が、
電力グリッド（２８）上の電力の電力グリッド（２８）位相角の第１の指示を受信し、
発電機（２６）によって提供される電力の発電機（２６）位相角の第２の指示を受信し、
前記発電機（２６）位相角と前記電力グリッド（２８）位相角との時間差を決定し、
前記時間差に少なくとも部分的に基づいて前記発電機（２６）位相角を制御する第１の信号を送信し、
前記時間差が或る公差以内であるときに回路ブレーカをクローズし、それにより、前記電力グリッド（２８）を前記発電機（２６）に電気結合する、第２の信号を前記回路ブレーカに送信する
ようにさせるように構成される命令を含む、非一時的コンピュータ可読媒体。
［実施態様１２］
前記プロセッサ（３４）が、前記発電機（２６）速度を制御する電圧レギュレータに前記発電機（２６）位相角を制御する前記第１の信号を送信するようにさせるように構成される命令を含み、前記発電機（２６）速度は、前記目下の発電機（２６）速度及び前記時間差に少なくとも部分的に基づいて制御される、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
［実施態様１３］
或る定数を前記時間差で割った値に基づいて、前記目下の発電機（２６）速度を更新速度に調整することによって、前記プロセッサ（３４）が、前記発電機（２６）速度を調整するようにさせるように構成される命令を含む、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
［実施態様１４］
前記発電機（２６）電圧がゼロ電圧ラインを交差するときを、前記電力グリッド（２８）電圧がゼロ電圧ラインを交差するときと比較することによって、前記プロセッサ（３４）が、前記時間差を決定するようにさせるように構成される命令を含む、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
［実施態様１５］
前記発電機（２６）位相角が前記電力グリッド（２８）位相角と同期されると見なされるときまで、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）（４４）を介した又は前記プロセッサ（３４）に動作可能に結合された前記メモリ（３６）から取り出された、前記電力グリッド（２８）位相角と前記発電機（２６）位相角との間の許容される公差の選択閾値を、前記プロセッサ（３４）が取得するようにさせるように構成される命令を含む、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
［実施態様１６］
方法であって、
プロセッサ（３４）によって、電力グリッド（２８）上の電力の電力グリッド（２８）電圧を示す電力グリッド（２８）信号を受信すること、
前記プロセッサ（３４）によって、発電機（２６）によって提供される電力の発電機（２６）電圧を示す発電機（２６）信号を受信すること、
前記プロセッサ（３４）によって、前記発電機（２６）電圧と前記電力グリッド（２８）電圧との電圧ギャップを決定すること、及び、
前記プロセッサ（３４）によって、前記発電機（２６）電圧を制御するコントローラ（４２）を調整する制御信号を送信することであって、それにより、前記発電機（２６）が前記電圧ギャップのマグニチュードに基づいて同期するようにさせる、送信することを含む、方法。
［実施態様１７］
前記電圧ギャップが減少するように、発電機（２６）励磁によって、前記発電機（２６）電圧を制御する電圧レギュレータに前記制御信号を送信することを含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
前記制御信号に基づいて、前記電力グリッド（２８）と前記発電機（２６）との間の同期化中に、前記コントローラ（４２）の比例、積分、又は微分（ＰＩＤ）利得因子のうちの少なくとも１つを調整することを含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１９］
前記電圧ギャップのマグニチュードに比例して前記ＰＩＤ利得因子を調整することを含む、実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
対応するポイントにおいて前記電力グリッド（２８）電圧及び前記発電機（２６）電圧の測定サンプルを取得すること、
前記サンプリング済み発電機（２６）電圧から前記サンプリング済み電力グリッド（２８）電圧を減算すること、及び、
前記電圧ギャップを、前記サンプリング済み電力グリッド（２８）電圧と前記サンプリング済み発電機（２６）電圧との前記差として特定することを含む、実施態様１６に記載の方法。

１０ 電力同期化システム
１２ ガスタービン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ 空気
２２ 燃料
２４ シャフト
２６ 発電機
２８ 電力グリッド
３０ 回路ブレーカ
３２ 制御システム
３４ プロセッサ
３６ メモリ
３８ 電力グリッド電圧検知変圧器（第１の電圧検知変圧器）
４０ 発電機電圧検知変圧器（第２の電圧検知変圧器）
４２ 電圧レギュレータ（コントローラ）
４４ ヒューマンマシンインタフェース
４８ グラフ
５０ 所定時間
５２ 発電機波形
５４ 電力グリッド波形
５６ プロセス

Claims (13)

1. 電力を電力グリッド（２８）に提供するように構成された発電機（２６）のための制御システム（３２）であって、当該制御システム（３２）が、
   前記発電機（２６）の発電機励磁電圧を制御することによって前記発電機（２６）によって提供される電力の発電機電圧を制御するように構成された自動電圧レギュレータ（４２）と、
   命令を記憶するメモリ（３６）と
   プロセッサ（３４）と
   を備えており、前記プロセッサ（３４）が、前記命令を実行して、
   前記電力グリッド（２８）上の電力の電力グリッド電圧の第１の指示を受信し、
   前記電力グリッド（２８）上の電力の電力グリッド位相角の第２の指示を受信し、
   前記発電機電圧の第３の指示を受信し、
   前記発電機（２６）によって提供される電力の発電機位相角の第４の指示を受信し、
   前記発電機電圧と前記電力グリッド電圧との電圧ギャップを決定し、前記発電機位相角と前記電力グリッド位相角との時間差を決定し、
   前記電力グリッド（２８）と前記発電機（２６）との間の同期化中に前記電圧ギャップに基づいて前記自動電圧レギュレータ（４２）の比例利得及び積分利得を調整し、
   前記電圧ギャップ及び前記時間差に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機電圧及び前記発電機位相角をそれぞれ前記電力グリッド電圧及び前記電力グリッド位相角と同期させる信号を生成する
   ように構成されており、
   前記自動電圧レギュレータ（４２）が、さらに、
   調整された比例利得及び積分利得を受信し、
   前記調整された比例利得及び積分利得に基づいて、前記発電機励磁電圧を制御するための発電機励磁電圧信号を前記発電機に送信する
   ように構成されている、制御システム（３２）。
2. 前記自動電圧レギュレータ（４２）は、前記電圧ギャップが減少するように前記発電機電圧を制御するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（３２）。
3. 前記プロセッサ（３４）は、前記電圧ギャップのマグニチュードに基づいて前記自動電圧レギュレータ（４２）の比例利得及び積分利得を調整するように構成される、請求項１に記載の制御システム（３２）。
4. 前記プロセッサ（３４）は、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）（４４）を介した又は前記メモリ（３６）から取り出された、前記電力グリッド電圧と前記発電機電圧との間の許容される公差の閾値を取得して、前記発電機電圧及び前記発電機位相角が、前記電力グリッド電圧及び前記電力グリッド位相角と同期されるとみなされるときを制御するように構成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の制御システム（３２）。
5. 前記プロセッサ（３４）は、電圧検知変圧器（３８）から前記第１及び第２の指示を受信するように構成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の制御システム（３２）。
6. 前記プロセッサ（３４）は、
   対応するポイントにおいて前記電力グリッド電圧及び前記発電機電圧の測定サンプルを取得し、
   前記サンプリングした発電機電圧から前記サンプリングした電力グリッド電圧を減算し、
   前記電圧ギャップを、前記サンプリングした電力グリッド電圧と前記サンプリングした発電機電圧との差として特定する
   ように構成される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の制御システム（３２）。
7. 前記電力グリッド（２８）から前記第１及び第２の指示を受信するように構成された第１の電圧検知変圧器（３８）と、
   前記発電機（２６）によって提供される電力の前記第３及び第４の指示を受信するように構成された第２の電圧検知変圧器（４０）とを備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の制御システム（３２）。
8. 前記プロセッサ（３４）は、前記時間差に少なくとも部分的に基づいてタービン（１２）の速度の変化を決定するように構成される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の制御システム（３２）。
9. 前記プロセッサ（３４）は、二乗平均平方根電圧ギャップを前記電圧ギャップとして決定するように構成される、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の制御システム（３２）。
10. 方法であって、
    プロセッサ（３４）によって、電力グリッド（２８）上の電力の電力グリッド電圧を示す電力グリッド信号を受信するステップと、
    前記プロセッサ（３４）によって、発電機（２６）によって提供される電力の発電機電圧を示す発電機信号を受信するステップと、
    前記プロセッサ（３４）によって、前記発電機電圧と前記電力グリッド電圧との電圧ギャップを決定するステップと、
    前記プロセッサ（３４）によって、前記電力グリッド（２８）と前記発電機（２６）との間の同期化中に前記電圧ギャップに基づいて自動電圧レギュレータ（４２）の比例利得及び積分利得を調整するステップであって、前記自動電圧レギュレータ（４２）が、前記発電機（２６）によって提供される電力の発電機電圧を制御するように構成されている、ステップと、
    前記プロセッサ（３４）によって、前記電圧ギャップのマグニチュードに基づいて前記発電機（２６）を上記電力グリッド（２６）と同期させるための制御信号を前記自動電圧レギュレータ（４２）に送信するステップであって、前記調整された比例利得及び積分利得に基づいて、前記発電機励磁電圧を制御するための発電機励磁電圧信号を前記自動電圧レギュレータ（４２）から前記発電機に送信することを含む、ステップと
    を含む、方法。
11. 前記自動電圧レギュレータ（４２）は、前記電圧ギャップが減少するように前記発電機電圧を制御する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記比例利得及び積分利得が前記電圧ギャップのマグニチュードに比例して調整される、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
13. 対応するポイントにおいて前記電力グリッド電圧及び前記発電機電圧の測定サンプルを取得するステップと、
    前記サンプリングした発電機電圧から前記サンプリングした電力グリッド電圧を減算するステップと、
    前記電圧ギャップを、前記サンプリングした電力グリッド電圧と前記サンプリングした発電機電圧との差として特定するステップと
    を含む、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の方法。

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