JP2019517239A - 電源システムに給電すべき三相ａｃ電圧を発生させるための設備および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも1つのタービンと、タービンを用いて駆動される少なくとも1つの三相発電機であって、三相発電機の発電機ロータは、回転可能に固定される仕方でタービンのタービンロータに結合される、少なくとも1つの三相発電機と、出力側で三相発電機に電気的に接続され、三相発電機によって発生されかつ第1の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第1の三相AC電圧を第1の電圧レベルよりも低い第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧に変換するために使用することができる少なくとも1つの変圧器と、出力側で変圧器に電気的に接続され、発電機ロータのロータ巻線に第3の三相AC電圧を供給するために使用することができ、第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧を第2の電圧レベルおよび第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第3の三相AC電圧に変換するために使用することができる少なくとも1つの周波数コンバータであって、周波数コンバータは、第2の周波数が、電源システムの幹線(mains)周波数と第1の周波数との間の差に対応するような仕方で設計されるまたは制御可能かつ/または調節可能である、少なくとも1つの周波数コンバータとを有する、電源システムに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備に関する。

Description

本発明は、少なくとも1つのタービンおよびタービンによって駆動される少なくとも1つの三相発電機を備える、電源システムに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備に関し、三相発電機の発電機ロータは、連動回転(conjoint rotation)のためにタービンのタービンロータに結合される。

さらに、本発明は、少なくとも1つのタービンおよびタービンによって駆動される少なくとも1つの三相発電機を使用して、電源システムに給電すべき三相AC電圧を発生させるための方法に関し、三相発電機の発電機ロータは、連動回転のためにタービンのタービンロータに結合される。

三相AC電圧を発生させ、電源システムに三相AC電圧を供給するための設備は、十分に知られており、パワープラントにおいて使用されている。そのような設備は、少なくとも1つのタービン、例えば複合サイクルパワープラント(CCPP)もしくはガスタービンパワープラントのガスタービンまたは蒸気タービン、およびタービンによって駆動される少なくとも1つの三相発電機、特にタービン発電機を備える。

タービンのタービンロータは従来、三相発電機の発電機ロータに強固にまたは連動回転のために接続される。タービンロータの回転を用いて、三相発電機を使用して50Hzまたは60Hzのレベルの通例の電源システム周波数を有する三相AC電圧を発生させ、それを電源システムに給電することができるためには、タービンロータはそれ故に、従来50Hzまたは60Hzのレベルの周波数でそれぞれ回転しなければならない。

50Hzの動作周波数を有するガスタービン(50Hzガスタービン)のパワーおよび効率は、対応する60Hzガスタービンについてよりも大きいので、60Hzの電源システム周波数を有する電源システム(60Hz電源システム)に供給するために50Hzガスタービンをまた使用することにも関心がある。例として、最も大きい50Hzガスタービンのパワーは、設計におけるスケーリング手法のおかげで、最も大きい60Hzガスタービンのそれよりも44%大きい。一般に、50Hzガスタービンの場合、より低い回転速度のおかげで、それに応じてより長いタービンロータブレードを用いてさえ、タービンロータブレードに作用する遠心力は、管理することができるので、60Hzガスタービンの場合よりも全体的により高いパワー限界を確定することが可能である。60Hzガスタービン変形を超える50Hzガスタービン変形の効率優位性は、特に50Hzガスタービン変形の場合のより低いクリアランス損失のおかげで、拡大縮小されたガスタービン(すなわち1つのタービン変形が、スケーリング因子を用いて基本的タービン変形から導かれた)の場合約0.3%である。

本発明の1つの目的は、電源システムに電気エネルギーを供給するために、その動作周波数が、電源システムの電源システム周波数よりも低い、タービン、特にガスタービンの有用性を可能にすることである。本発明のさらなる目的は、電源システムに給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備の周波数バックアップ動作を改善することである。

電源システムに給電すべき三相AC電圧を発生させるための本発明による設備は、少なくとも1つのタービンおよびタービンによって駆動される少なくとも1つの三相発電機を備え、三相発電機の発電機ロータは、連動回転のためにタービンのタービンロータに結合される。本発明によると、本設備は、出力側で三相発電機に電気的に接続される少なくとも1つの変圧器を備え、それによって、三相発電機によって発生され、第1の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第1の三相AC電圧は、第1の電圧レベルよりも低い第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧に変換されることが可能である。さらに、本設備は、出力側で変圧器に電気的に接続される少なくとも1つの周波数コンバータを備え、それを介して、発電機ロータのロータ巻線は、第3の三相AC電圧を供給されることが可能であり、それによって、第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧は、第2の電圧レベルおよび第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第3の三相AC電圧に変換されることが可能である。周波数コンバータは、第2の周波数が、電源システムの電源システム周波数と第1の周波数との間の差に対応するような方法で設計されるまたは制御可能かつ/もしくは調節可能である。

もしタービンロータの、それ故に発電機ロータの回転周波数が、供給すべき電源システムのそれぞれの電源システム周波数よりも低いならば、三相発電機によって発生される第1の三相AC電圧の第1の周波数は、電源システム周波数よりも低い。それにもかかわらず、三相発電機を使用して電源システム周波数を有する三相AC電圧を発生させることができるためには、発電機ロータのロータ巻線は、従来の実践とは異なり、DC電圧を供給されず、むしろ第2の周波数を有する三相AC電圧を供給され、第2の周波数は、電源システムの電源システム周波数と第1の周波数との間のそれぞれの差に対応する。結果として、電源システム周波数で回転する磁界が、三相発電機の発電機ロータと発電機ステータとの間に発生される。発電機ステータのステータ巻線はそれ故に、電源システム周波数で回転する磁界を受け、その結果として、電源システム周波数を有する三相AC電圧が、ステータ巻線に誘起される。

例えば50Hzのレベルの発電機ロータの回転周波数を仮定すると、60Hzのレベルの回転周波数で回転する磁界は、第3の三相AC電圧の第2の周波数の適切な選択のおかげで発電機ロータと発電機ステータとの間に形成することができる。これは、60Hzのレベルの周波数を有する三相AC電圧が、ステータ巻線に誘起されるという結果を有する。結果として、三相発電機が、供給すべき電源システムにそれを介して接続される、機械変圧器において、60Hz三相AC電圧は、対応するパワーを有する60Hz電源システムに後者を利用できるようにすることができるために存在する。その結果、本発明による設備を用いると、そのタービンロータ回転周波数が、電源システムの電源システム周波数よりも低い、タービンを使用して電源システム周波数を有する三相AC電圧を電源システムに給電することが可能である。より高い比出力(specific power)が、結果として達成可能である。

第2の周波数を有する第3の三相AC電圧を発電機ロータのロータ巻線に供給する結果として、発電機ステータのステータ巻線はそれ故に、電源システム周波数で回転する磁界を経験することができる。第2の周波数の適切な選択のおかげで、発電機ロータの回転周波数とは無関係に本発明による設備によって周波数サポートを確実にすることがそれによって可能である。特に、本発明による設備は、従来の設備よりもはるかに広い周波数帯域において周波数バックアップをもたらすことができる。その上、本発明による設備のコンポーネントは、設備のコンポーネントが、特定の周波数バックアップ帯域を満たすことができなければならないような方法で設計する必要はない。その代わりに、コンポーネントは、特に設備が、高効率および高耐久性を有する、特定の動作点のために設計することができる。改善された周波数バックアップ動作を有する設備がそれ故に、本発明を用いて提供することができる。例として、電源システム周波数を下回る場合、接続されるタービンは、電源システム周波数をバックアップすることができるためにより多くのパワーを提供しなければならない。タービンロータまたは発電機ロータの回転速度が、減少するにつれて、減少する電源システム周波数のために、パワーもまた、しかしながら減少する。タービンは、三相発電機/周波数コンバータ配置を通じて電源システム周波数から切り離すことができ、この点において、そのフルパワーを提供し続けることができるので、これは、本発明による設備を用いて防止することができる。

本発明によると、第2の電圧レベルおよび第2の周波数を有する第3の三相AC電圧を発電機ロータのロータ巻線に供給することによって電源システムの電源システム周波数からの発電機ロータまたはタービンロータの回転周波数の逸脱を補償することが可能である。結果として、電源システム周波数を有する三相AC電圧は、たとえ発電機ロータの回転周波数が、電源システム周波数とは異なっても、三相発電機を用いて発生させることができる。従って、従来の実践とは異なり、三相発電機によって発生される三相AC電圧の周波数を電源システム周波数に適合させることができるために、タービンロータのまたは連動回転のためにそれに接続される発電機ロータの回転速度を変える必要はない。むしろ、本設備または例えばタービンおよび三相発電機などのそのコンポーネントは、例えば最適動作点のために設計することができ、前述の整合中はその動作点を保つことができ、それは、設備の効率を全体的に増加させる。

本発明によると、例として、そのタービンロータが、50Hz三相発電機の発電機ロータに強固にまたは連動回転のために接続される、50Hzガスタービンは、60Hz電源システムに供給するために使用することができる。この場合、50Hz三相発電機、変圧器および周波数コンバータから形成される配置はそれ故に、本発明によると、50Hzガスタービンによって駆動し、60Hzのレベルの周波数を有する三相AC電圧を60Hz電源システムに給電することができる。

そのような設備のパワーおよび効率は、従来の60Hzガスタービンユニットと比較してかなりより高い。例えば、最も大きい50Hzガスタービンの最大パワーは、最も大きい60Hzガスタービンの最大パワーよりも44%大きいので、より少ないブロックを用いてより大きい60Hzパワープラントを構成することが可能である。例として、3つの60Hzガスタービン/CCPPストリングを用いてこれまでに実現されているパワープラントは、本発明のおかげで2つの50Hzガスタービン/CCPPストリングを用いて実現することができる。結果として、ガスタービン、発電機、クラッチ、ボイラ、蒸気タービンおよび制御システムからなる1つの全CCPPストリングは、省略され、それは、非常に大きなコスト節約につながる。50Hzタービンそれ自体の場合、50Hzタービンバージョンは一般に、スケーリングによって60Hzタービンバージョンから導かれ、この場合コストは、パワーよりも上昇がはるかに少ないので、特定コストの対応する低減もまた、観察することができる。これは、特に周波数コンバータによって引き起こされる追加のコストを補償するための十分な余地を与える。

三相発電機は、三相ステータおよび三相発電機ロータを備える。三相ステータは好ましくは、電源システムの電源システム周波数、例えば60Hzを有する三相AC電圧の発生のために設計され、機械変圧器を介して電源システムに直接接続される。三相ステータは、積層ステータユニットおよびその上に配置される三相二層ステータ巻線を備える同期発電機にとって通例の設計を用いて具体化することができる。ステータ巻線の電圧は、それぞれの応用にとって通例の大きさ、例えば60Hz応用にとって22kVとすることができる。

三相発電機ロータは、タービンのタービンロータに直接結合される。発電機ロータは、積層ロータユニットおよびその上に配置される三相ロータ巻線を用いて具体化することができる。三相ロータ巻線は、星形に接続されてもよい。第2の電圧のレベルは、約5kVとすることができる。ロータ巻線の3つの相は、発電機ロータのロータ軸上のスリップリングに電気的に接続される。三相ブラシシステムは、スリップリング上を動くことができ、そのブラシシステムは、1相につき複数のカーボンブラシから構成され、静止したブラシ装置上に取り付けられてもよい。ブラシシステムを介して、第3の三相電圧は、周波数コンバータから静止した三相ブラシ装置を介して回転発電機ロータのロータ巻線に伝達することができる。

周波数コンバータは、出力側で三相ブラシ装置に電気的に接続することができる。結果として、ロータ巻線は、例えば5kV/10Hz三相AC電圧を供給することができる。周波数コンバータは、例えば定電圧中間回路を有するコンバータとして構成することができる。

本発明による設備はまた、もしタービンの回転速度が、50Hzおよび60Hzのレベルの通例の電源システム周波数から自由な仕方で選択されることを意図されるならば、それ故にタービンの最大パワーをさらに増加させるために利用することもできる。特に、本発明による設備は、任意の動作回転速度を有するタービンおよび任意の電源システム周波数を有する三相電源システムに適用することができる。これは、最大パワーおよび最大効率に関してタービンの最適設計を可能にする。それ故に、例として、その最大パワーが、50Hzガスタービンのそれを超える、45Hzガスタービンは、周波数コンバータの出力回路における第2の周波数の対応する増加によって、60Hz三相AC電圧を60Hz電源システムに給電することができる。同様に、本発明による設備を伴う45Hzガスタービンはまた、コンポーネントの適正な設計および第2の周波数の適切な選択を仮定すると、50Hz三相AC電圧を50Hz電源システムに給電することもできる。

本発明によると、電源システム周波数から逸脱する回転速度を有するガスタービンを電源システムに接続することを可能にする三相発電機/変圧器/周波数コンバータ構成と大きいガスタービンを組み合わせることが可能である。本発明による三相発電機を用いると、例えば50Hzガスタービンを用いた駆動について60Hz三相AC電圧を発生させることが可能であり、その結果として、50Hzガスタービンは、60Hzマーケットに適用可能である。そのような構成のパワーおよび効率は、60Hzガスタービンユニットと比較して増加する。

コストおよび効率に関するこの状況の考察から、50Hz製品ラインは、より高いパワー、より低い特定コストおよび改善された効率のおかげで、60Hz製品ラインを置き換えることができるので、大きいガスタービンの場合だがまた蒸気タービンの場合にも基本的に60Hz製品ラインなしで済ます可能性が、与えられる。さらに、相乗効果が、研究および開発中に、またサプライチェーン(より高い数、その他)においても起こり、前記相乗効果は、何億ユーロもの範囲の内部コスト節約をもたらす。これは、未開発のタービンおよび同様に既存のポートフォリオに当てはまる。後者は、この点において、より大きいプラス効果から恩恵を受けると期待さえされるはずである。

それらの従来の空冷三相発電機をそれぞれ伴う2つの5000Fガスタービンおよび1つの60Hz蒸気タービンが、三相発電機/変圧器/周波数コンバータ配置をそれぞれ伴う2つの4000Fガスタービンおよび1つの50Hz蒸気タービンに置き換えられる、2+1CCPP構成の例示的考察では、パワーは、約190MWだけ増加する。ガスタービン、蒸気タービン、三相発電機およびコンポーネント補助システムについての絶対的パッケージコストは、同じままであり、それはすでに、約50ユーロ/kWの比較的高い周波数コンバータコストを考慮している。さらに、特定のパッケージコストは、25%を上回るだけ下落する。その上、全設備効率(CCPP)は、0.6%だけ上昇し、0.2%の追加の控えめに決定される周波数コンバータ損失は、すでに考慮されている。さらに、開発から生じる他のフレームと比較すると、これらが、この関連で互いからほとんど利益を得ることができない、相互に無関係に開発される種類のガスタービンであるので、研究および開発中のかつサプライチェーンにおける相乗効果に関する恩恵は、低減した動作周波数を有するガスタービンについてより大きい。

好ましくは、本設備は、周波数コンバータの出力回路と並列に接続される少なくとも1つの三相キャパシタバンクを備える。三相キャパシタバンクは、ロータ巻線に無効電力を供給する。結果として、周波数コンバータによって供給すべき電流は、低減され、その結果として、周波数コンバータの構造的サイズは、次に低減することができる。特に、キャパシタバンクの存在のおかげで、周波数コンバータを介して三相発電機の全パワーでなく、むしろこのパワーの約20%だけを伝導することが可能であり、それは、周波数コンバータコストの対応する低減ならびに三相発電機および周波数コンバータから形成される配置の全効率の改善につながる。簡単な三相発電機との比較によるこの配置の全体的に多少より貧弱な効率は、特に低減された動作周波数を有する、駆動用タービンの改善された効率によって補償されるのを超えることができる。発電機電圧はそれにもかかわらず、従来の程度の大きさとすることができる。

本設備は好ましくは、通信技術の観点から周波数コンバータに接続される少なくとも1つの電子制御および/または調節ユニットを備え、それは、電源システムの電源システム周波数と第1の周波数との間の瞬間的差を検出し、瞬間的差に応じて周波数コンバータを駆動するように構成される。電子制御および/または調節ユニットを用いると、周波数コンバータはそれ故に、電源システムの電源システム周波数と第1の周波数との間の検出された瞬間的差に応じて制御されかつ/または調節されることが可能である。瞬間的電源システム周波数および瞬間的第1の周波数は、センサシステムを通じて検出し、評価のために電子制御および/または調節ユニットに送り込むことができる。

少なくとも1つのタービンおよびタービンによって駆動される少なくとも1つの三相発電機を使用して電源システムに給電すべき三相AC電圧を発生させるための本発明による方法であって、三相発電機の発電機ロータは、連動回転のためにタービンのタービンロータに結合される、方法によると、発電機ロータのロータ巻線は、電源システムの電源システム周波数と発電機ロータの回転周波数との間の差に対応する周波数を有する三相AC電圧を供給される。

本設備に関して上で述べられた利点は、それに応じて本方法と関連付けられる。特に、本方法を実行するために、その構成の1つまたはこれらの構成の少なくとも2つの互いとの任意の組み合わせに従って本設備を使用することが可能である。この関連で、本設備の有利な構成は、たとえこれが、以下で明確に示されなくても、本方法の有利な構成とすることができる。

好ましくは、三相AC電圧は、三相発電機によって発生される三相AC電圧の変換によって発生される。これは、上述の利点と関連付けられる、本発明による設備の変圧器/周波数コンバータ配置を使用して行うことができる。

本発明は、付随する図を参照して好ましい実施形態に基づいて以下で例として説明され、以下で提示される特徴は、それ自体によるそれぞれの場合かまたは互いとの様々な組み合わせにおいて、本発明の発展途上のまたは有利な態様を構成することができる。

本発明による設備の1つの例示的実施形態の概略図を示す図である。

図1は、電源システム2に給電すべき三相AC電圧を発生させるための本発明による設備1の1つの例示的実施形態の概略図を示す。

設備1は、50Hzガスタービンの形のタービン3、およびタービン3によって駆動される三相発電機4を備える。三相発電機4は、60Hz三相ステータの形の三相ステータ5および発電機ロータ6を備える。三相発電機4の発電機ロータ6は、連動回転のためにタービン3のタービンロータ(図示されず)に結合される。三相発電機4は、切断スイッチ7および機械変圧器8を介して電源システム2に接続される。

設備1はさらに、出力側で三相発電機4に電気的に接続される変圧器9を備え、それによって、三相発電機4によって発生され、第1の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第1の三相AC電圧は、第1の電圧レベルよりも低い第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧に変換されることが可能である。

その上、設備1は、出力側で変圧器9に電気的に接続される周波数コンバータ10を備え、それを介して、発電機ロータ6のロータ巻線(図示されず)は、第3の三相AC電圧を供給されることが可能であり、それによって、第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧は、第2の電圧レベルおよび第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第3の三相AC電圧に変換されることが可能である。周波数コンバータ10は、第2の周波数が、電源システム2の電源システム周波数と第1の周波数との間の差に対応するような方法で設計されるまたは制御可能かつ/もしくは調節可能である。

発電機ロータ6のロータ巻線の3つの相は、発電機ロータ6のロータ軸13上のスリップリング(図示されず)に電気的に接続される。三相ブラシシステム(図示されず)は、スリップリング上を動き、前記ブラシシステムは、1相につき複数のカーボンブラシ(図示されず)から構成され、静止したブラシ装置14上に取り付けられる。ブラシシステムおよび静止した三相ブラシ装置14を介して、第3の三相電圧は、周波数コンバータ10から回転する発電機ロータ6のロータ巻線に伝達される。

さらに、設備1は、周波数コンバータ10の出力回路(図示されず)と並列に接続される三相キャパシタバンク11を備える。

さらに、設備1は、電子制御および/または調節ユニット12を備え、それは、通信技術の観点から周波数コンバータ10に接続され、それは、電源システム2の電源システム周波数と第1の周波数との間の瞬間的差を検出し、瞬間的差に応じて周波数コンバータ10を駆動するように構成される。

本発明は、好ましい例示的実施形態を用いてより具体的に例示され、詳細に述べられたけれども、それにもかかわらず本発明は、開示される例によって制限されず、他の変形が、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によってそこから導き出されてもよい。

1 設備
2 電源システム
3 タービン
4 三相発電機
5 三相ステータ
6 発電機ロータ
7 切断スイッチ
8 機械変圧器
9 変圧器
10 周波数コンバータ
11 三相キャパシタバンク
12 電子制御および/または調節ユニット
13 ロータ軸
14 静止したブラシ装置

Claims (4)

1. 少なくとも1つのタービン(3)および前記タービン(3)によって駆動される少なくとも1つの三相発電機(4)を備える、電源システム(2)に給電すべき三相AC電圧を発生させるための設備(1)であって、前記三相発電機(4)の発電機ロータ(6)は、連動回転のために前記タービン(3)のタービンロータに結合される設備(1)において、
   出力側で前記三相発電機(4)に電気的に接続され、それによって、前記三相発電機(4)によって発生され、第1の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第1の三相AC電圧が、前記第1の電圧レベルよりも低い第2の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第2の三相AC電圧に変換されることが可能である、少なくとも1つの変圧器(9)と、
   出力側で前記変圧器(9)に電気的に接続され、それを介して、前記発電機ロータ(6)のロータ巻線が、第3の三相AC電圧を供給されることが可能であり、それによって、前記第2の電圧レベルおよび前記第1の周波数を有する前記第2の三相AC電圧が、前記第2の電圧レベルおよび前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する前記第3の三相AC電圧に変換されることが可能である、少なくとも1つの周波数コンバータ(10)とによって特徴付けられ、
   前記周波数コンバータ(10)は、前記第2の周波数が、前記電源システム(2)の電源システム周波数と前記第1の周波数との間の差に対応するような方法で設計されるまたは制御可能かつ/もしくは調節可能である、設備(1)。
2. 前記周波数コンバータ(10)の出力回路と並列に接続される少なくとも1つの三相キャパシタバンク(11)を備える、請求項1に記載の設備(1)。
3. 通信技術の観点から前記周波数コンバータ(10)に接続され、前記電源システム(2)の前記電源システム周波数と前記第1の周波数との間の瞬間的差を検出しかつ前記瞬間的差に応じて前記周波数コンバータ(10)を駆動するように構成される、少なくとも1つの電子制御および/または調節ユニット(12)を備える、請求項1または2に記載の設備(1)。
4. 少なくとも1つのタービン(3)および前記タービン(3)によって駆動される少なくとも1つの三相発電機(4)を使用して、電源システム(2)に給電すべき三相AC電圧を発生させるための方法であって、
   前記三相発電機(4)の発電機ロータ(6)は、連動回転のために前記タービン(3)のタービンロータに結合される方法において、
   前記三相発電機(4)によって発電され、第1の電圧レベルおよび第1の周波数を有する第1の三相AC電圧が、出力側で前記三相発電機(4)に電気的に接続される変圧器(9)を用いて前記第1の電圧レベルよりも低い第2の電圧レベルおよび前記第1の周波数を有する第2の三相AC電圧に変換されることと、
   前記発電機ロータ(6)のロータ巻線が、出力側で前記変圧器(9)に電気的に接続される周波数コンバータ(10)を用いて第3の三相AC電圧を供給されることと、
   前記第2の電圧レベルおよび前記第1の周波数を有する前記第2の三相AC電圧が、前記周波数コンバータ(10)を用いて前記第2の電圧レベルおよび前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する前記第3の三相AC電圧に変換されることと、
   前記第3の三相AC電圧が、前記第2の周波数が前記電源システム(2)の電源システム周波数と前記発電機ロータ(6)の回転周波数との間の差に対応するような方法で、前記周波数コンバータ(10)を用いて発生されることとを特徴とする、方法。

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