(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023129267
(43)【公開日】2023-09-14
(54)【発明の名称】慣性アセンブリを有する電力システム及びその動作方法
(51)【国際特許分類】
H02J 3/30 20060101AFI20230907BHJP
H02J 3/38 20060101ALI20230907BHJP
【ＦＩ】
H02J3/30
H02J3/38 110
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023011687
(22)【出願日】2023-01-30
(31)【優先権主張番号】17/653,588
(32)【優先日】2022-03-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(72)【発明者】
【氏名】スクリウタス、ジョン、ポール
(72)【発明者】
【氏名】クウェイル、ポール、エー．
【テーマコード（参考）】
5G066
【Ｆターム（参考）】
5G066HA15
5G066HB02
5G066HB08
5G066JA01
5G066JB02
(57)【要約】 （修正有）
【課題】慣性アセンブリを有する電力システム及びその動作方法を提供する。
【解決手段】電力システム（１００）は、タービン（１３２）及びタービンシャフト（１３４）を含むタービンアセンブリ（１０４）と、発電機（１１４）及び発電機シャフト（１１６）を含む発電機アセンブリ（１０６）と、発電機シャフト（１１６）に結合されるフライホイール（１４４）を含む慣性アセンブリ（１０８）と、タービンシャフト（１３４）を発電機シャフト（１１６）に結合するためのクラッチアセンブリ（１２０）を備える。クラッチアセンブリ（１２０）は、タービンシャフト（１３４）が発電機シャフト（１１６）に結合されている閉状態と、タービンシャフト（１３４）が発電機シャフト（１１６）から切り離されている開状態との間で移行可能である。クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態にあるときに発電モードで、開状態にあるときに同期調相機モードで動作可能である。
【選択図】図１
【解決手段】電力システム（１００）は、タービン（１３２）及びタービンシャフト（１３４）を含むタービンアセンブリ（１０４）と、発電機（１１４）及び発電機シャフト（１１６）を含む発電機アセンブリ（１０６）と、発電機シャフト（１１６）に結合されるフライホイール（１４４）を含む慣性アセンブリ（１０８）と、タービンシャフト（１３４）を発電機シャフト（１１６）に結合するためのクラッチアセンブリ（１２０）を備える。クラッチアセンブリ（１２０）は、タービンシャフト（１３４）が発電機シャフト（１１６）に結合されている閉状態と、タービンシャフト（１３４）が発電機シャフト（１１６）から切り離されている開状態との間で移行可能である。クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態にあるときに発電モードで、開状態にあるときに同期調相機モードで動作可能である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力システム（１００）であって、
タービン（１３２）とタービンシャフト（１３４）とを含むタービンアセンブリ（１０４）、
発電機（１１４）と発電機シャフト（１１６）とを含む発電機アセンブリ（１０６）、
前記発電機シャフト（１１６）に結合されるフライホイール（１４４）を含む慣性アセンブリ（１０８）、及び
前記タービンシャフト（１３４）を前記発電機シャフト（１１６）に結合するクラッチアセンブリ（１２０）であって、前記クラッチアセンブリ（１２０）は、前記タービンシャフト（１３４）が前記発電機シャフト（１１６）に結合される閉状態と、前記タービンシャフト（１３４）が前記発電機シャフト（１１６）から切り離される開状態との間で移行可能であり、前記電力システム（１００）は、前記クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態のときに発電モードで動作可能であり、前記クラッチアセンブリ（１２０）が開状態のときに同期調相機モードで動作可能である、クラッチアセンブリ（１２０）
を含む電力システム（１００）。
タービン（１３２）とタービンシャフト（１３４）とを含むタービンアセンブリ（１０４）、
発電機（１１４）と発電機シャフト（１１６）とを含む発電機アセンブリ（１０６）、
前記発電機シャフト（１１６）に結合されるフライホイール（１４４）を含む慣性アセンブリ（１０８）、及び
前記タービンシャフト（１３４）を前記発電機シャフト（１１６）に結合するクラッチアセンブリ（１２０）であって、前記クラッチアセンブリ（１２０）は、前記タービンシャフト（１３４）が前記発電機シャフト（１１６）に結合される閉状態と、前記タービンシャフト（１３４）が前記発電機シャフト（１１６）から切り離される開状態との間で移行可能であり、前記電力システム（１００）は、前記クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態のときに発電モードで動作可能であり、前記クラッチアセンブリ（１２０）が開状態のときに同期調相機モードで動作可能である、クラッチアセンブリ（１２０）
を含む電力システム（１００）。
【請求項2】
前記慣性アセンブリ（１０８）は、前記フライホイール（１４４）に結合されたフライホイールシャフト（１４６）と、前記発電機シャフト（１１６）とを更に含む、請求項１に記載の電力システム（１００）。
【請求項3】
前記発電機シャフト（１１６）は、第１の端部（１１８）と、前記第１の端部（１１８）の反対側の第２の端部（１２２）とを含み、前記クラッチアセンブリ（１２０）は、前記第１の端部（１１８）において前記発電機シャフト（１１６）に結合され、前記フライホイールシャフト（１４６）は、前記第２の端部（１２２）において前記発電機シャフト（１１６）に結合されている、請求項２に記載の電力システム（１００）。
【請求項4】
前記クラッチアセンブリ（１２０）は、第１のクラッチアセンブリ（１２０）であり、前記電力システム（１００）は、前記フライホイールシャフト（１４６）を前記発電機シャフト（１１６）に結合するための第２のクラッチアセンブリ（１２４）を更に含む、請求項２に記載の電力システム（１００）。
【請求項5】
前記第１のクラッチアセンブリ（１２０）及び前記第２のクラッチアセンブリ（１２４）と通信するように結合されたコントローラ（１６０）を更に含み、前記コントローラ（１６０）は、前記電力システム（１００）を、標準慣性発電モード、高慣性発電モード、標準慣性同期調相機モード、及び高慣性同期調相機モードのうちの少なくとも３つのモードの間で切り替えるように、前記第１のクラッチアセンブリ（１２０）及び前記第２のクラッチアセンブリ（１２４）の状態を制御する、請求項４に記載の電力システム（１００）。
【請求項6】
前記電力システム（１００）は、前記標準慣性発電モードで動作する場合は第１の慣性定数を有し、前記高慣性発電モードで動作する場合は第２の慣性定数を有し、前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の少なくとも１．２５倍の定数である、請求項５に記載の電力システム（１００）。
【請求項7】
前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の２倍の定数である、請求項６に記載の電力システム（１００）。
【請求項8】
前記タービンアセンブリ（１０４）は、前記タービンシャフト（１３４）に結合された駆動モータ（１４２）を更に含み、前記駆動モータ（１４２）は、前記タービンシャフト（１３４）が、前記発電機シャフト（１１６）の同期速度まで回転するように、前記タービンシャフト（１３４）を駆動して、前記電力システム（１００）を前記同期調相機モードから前記発電モードに移行させる、請求項１に記載の電力システム（１００）。
【請求項9】
前記電力システム（１００）が前記同期調相機モードで動作しているとき、前記クラッチアセンブリ（１２０）は、前記電力システム（１００）を前記同期調相機モードから前記発電モードに切り替えるために、前記開状態から前記閉状態に移行するように動作可能である、請求項１に記載の電力システム（１００）。
【請求項10】
前記電力システム（１００）は、前記発電機シャフト（１１６）の回転を減速させることなく、前記同期調相機モードから前記発電モードに切り替わるように構成される、請求項１に記載の電力システム（１００）。
【請求項11】
前記クラッチアセンブリ（１２０）は、前記発電機シャフト（１１６）に結合された第１のステディ軸受（１２６）と、前記タービンシャフト（１３４）に結合された第２のステディ軸受（１２６）と、ロック可能なクラッチ（１５０）と、回転ギア（１５２）とを更に含む、請求項１に記載の電力システム（１００）。
【請求項12】
前記発電機アセンブリ（１０６）は、
励磁システム（１３０）、及び
前記発電機シャフト（１１６）に結合された励磁リング（１２８）であって、前記励磁リング（１２８）は、前記励磁システム（１３０）から発生する電流を受け取るように構成されている、励磁リング（１２８）
を更に含む、請求項１に記載の電力システム（１００）。
励磁システム（１３０）、及び
前記発電機シャフト（１１６）に結合された励磁リング（１２８）であって、前記励磁リング（１２８）は、前記励磁システム（１３０）から発生する電流を受け取るように構成されている、励磁リング（１２８）
を更に含む、請求項１に記載の電力システム（１００）。
【請求項13】
電力システム（１００）を動作させる方法であって、
クラッチアセンブリ（１２０）を閉状態に移行することによって、タービンアセンブリ（１０４）のタービンシャフト（１３４）を発電機アセンブリ（１０６）の発電機シャフト（１１６）に結合することであって、前記発電機シャフト（１１６）は慣性アセンブリ（１０８）のフライホイール（１４４）に結合されている、発電機アセンブリ（１０６）の発電機シャフト（１１６）に結合すること、
前記クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態にある間に、前記電力システム（１００）を発電モードで動作させること、
前記クラッチアセンブリ（１２０）を開いて開状態にし、前記タービンシャフト（１３４）を前記発電機シャフト（１１６）及び前記フライホイール（１４４）から切り離すこと、及び
前記クラッチアセンブリ（１２０）が開状態にある間に、前記電力システム（１００）を同期調相機モードで動作させること
を含む、電力システム（１００）を動作させる方法。
クラッチアセンブリ（１２０）を閉状態に移行することによって、タービンアセンブリ（１０４）のタービンシャフト（１３４）を発電機アセンブリ（１０６）の発電機シャフト（１１６）に結合することであって、前記発電機シャフト（１１６）は慣性アセンブリ（１０８）のフライホイール（１４４）に結合されている、発電機アセンブリ（１０６）の発電機シャフト（１１６）に結合すること、
前記クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態にある間に、前記電力システム（１００）を発電モードで動作させること、
前記クラッチアセンブリ（１２０）を開いて開状態にし、前記タービンシャフト（１３４）を前記発電機シャフト（１１６）及び前記フライホイール（１４４）から切り離すこと、及び
前記クラッチアセンブリ（１２０）が開状態にある間に、前記電力システム（１００）を同期調相機モードで動作させること
を含む、電力システム（１００）を動作させる方法。
【請求項14】
前記電力システム（１００）が前記同期調相機モードで動作している間に、前記クラッチアセンブリ（１２０）を閉じて前記タービンシャフト（１３４）を前記発電機シャフト（１１６）に結合し、前記電力システム（１００）を前記発電モードに切り替えることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記クラッチアセンブリ（１２０）を閉じる前に、前記タービンシャフト（１３４）に結合された駆動モータ（１４２）によって、前記タービンシャフト（１３４）の回転を駆動して、前記発電機シャフト（１１６）の回転速度に一致させることを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、電気伝送グリッドと共に使用する慣性アセンブリを有する電力システムに関し、より詳細には、異なる複数の慣性モードで動作可能である電力システムに関する。
【背景技術】
【0002】
少なくとも一部の既知の電力システムは、発電機と、発電機のロータを回転させてグリッドに電力を供給するタービンとを有する電力発生装置を含む。少なくとも一部の他の既知の電力システムは、同期調相機を含んでいる。同期調相機を使用して、例えば、無効電力を発生又は吸収して系統電圧を調整し、短絡電流を提供し、無効電力過負荷能力を提供することによって、グリッドの条件を調整し、及び／又はグリッドに慣性を加えることができる。
【0003】
少なくとも一部の既知の電力発生装置では、タービンはロータシャフトに固定されており、タービンを発電機から容易に切り離すことはできない場合がある。このように、少なくとも一部の既知の発電システムは、グリッド上の別個の設備又はシステムとして提供される。例えば、単一のプラントが発電プラントとして機能し、グリッド上の全く別の設備が同期調相機の設備として機能する場合がある。更に、一般に、同期調相機システムと発電システムには、別々の発電機が必要である。同様に、少なくとも一部の既知の同期調相機は、フライホイールなどの慣性アセンブリを含むことがあるが、そのようなアセンブリは、一般に、切り離されることはない。
【発明の概要】
【0004】
一態様では、電力システムが提供される。電力システムは、タービンとタービンシャフトとを含むタービンアセンブリ、発電機と発電機シャフトとを含む発電機アセンブリ、前記発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリ、及び前記タービンシャフトを前記発電機シャフトに結合するクラッチアセンブリを含む。前記クラッチアセンブリは、前記タービンシャフトが前記発電機シャフトに結合される閉状態と、前記タービンシャフトが前記発電機シャフトから切り離される開状態との間で移行可能である。前記電力システムは、前記クラッチアセンブリが閉状態のときに発電モードで動作可能であり、前記クラッチアセンブリが開状態のときに同期調相機モードで動作可能である。
【0005】
別の態様では、電力システムを動作させる方法が提供される。本方法は、クラッチアセンブリを閉状態に移行することによって、タービンアセンブリのタービンシャフトを発電機アセンブリの発電機シャフトに結合することを含んでおり、前記発電機シャフトは慣性アセンブリのフライホイールに結合されている。本方法は、前記クラッチアセンブリが閉状態にある間に、前記電力システムを発電モードで動作させることを更に含む。本方法は、前記クラッチアセンブリを開いて開状態にし、前記タービンシャフトを前記発電機シャフト及び前記フライホイールから切り離すこと、及び前記クラッチアセンブリが開状態にある間に、前記電力システムを同期調相機モードで動作させることを更に含む。
【0006】
更に別の態様では、電力システムが提供される。電力システムは、タービン及びタービンシャフトを含むタービンアセンブリと、発電機及び発電機シャフトを含む発電機アセンブリであって、発電機シャフトは、第１の端部から反対側の第２の端部まで延びる、発電機アセンブリと、フライホイールシャフトに結合されたフライホイールを含む慣性アセンブリとを含む。電力システムは、タービンシャフトを発電機シャフトの第１の端部に結合するように動作可能な第１のクラッチアセンブリと、フライホイールシャフトを発電機シャフトの第２の端部に結合するように動作可能な第２のクラッチアセンブリを更に含む。電力システムは、第１のクラッチアセンブリが閉じているときは発電モードで、第１のクラッチアセンブリが開いているときは同期調相機モードで動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本開示のこれらの及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むと、よりよく理解される。図面全体にわたって類似の文字は類似の構成要素を表す。
【図1】電力システムの一例を示す概略図である。
【0008】
別段の指示がない限り、本明細書で使用される図面は、本開示の実施形態の特徴を説明することを意味するものである。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を含む多種多様なシステムにおいて適用可能であると考えられる。そのため、図面は、本明細書に開示された実施形態の実施に必要な特徴であって、当業者によって知られている従来の全ての特徴を含むことを意味するものではない。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下の明細書及び特許請求の範囲において、いくつかの用語が参照されるが、これらの用語は以下の意味を持つように定義されるものとする。
【0010】
単数形の「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」は、文脈から明らかに他のことを説明している場合を除き、複数の事項を含む。
【0011】
別段の指示がない限り、本明細書で使用される「概ね」、「実質的に」、及び「およそ」などの近似を表す文言は、そのような文言で修飾された用語が、絶対的又は完全な程度ではなく、当業者によって認識されると考えられる近似の程度に対してのみ適用できることを示す。したがって、「およそ」、「約」、及び「実質的に」などの１つ以上の用語が修飾された値は、指定された正確な値に限定されるものではない。少なくとも一部の例では、近似を表す文言は、値を測定する機器の精度に依存することがある。発明の詳細な説明、並びに本明細書及び特許請求の範囲の全体を通じて、範囲が限定されることがある。このような範囲は、文脈又は文言によって特段の指示がされていない限り、組み合わせる及び／又は交換することができ、その範囲に含まれるすべてのサブ範囲を含むことができる。更に、別段の指示がない限り、用語「第１の」、「第２の」などは、本明細書では単にラベルとして使用され、これらの用語が言及する要素に対して順序的要件、位置的要件、及び序列的要件を課すことを意図するものではない。更に、例えば「第２の」要素に言及することは、例えば「第１の」（即ち、より小さい番号が付けられた）要素、あるいは「第３の」（即ち、より大きい番号が付けられた）要素の存在を要求するものでもなく、排除するものでもない。本明細書において、用語「結合する」は、構成要素間で、機械的、熱的、電気的、及び／又は流体的な接続が直接的に行われる場合に限定されることはなく、複数の構成要素間で、機械的、熱的、電気的、及び／又は流体的な接続が間接的に行われる場合も含まれることに注意されたい。
【0012】
本明細書において、用語「プロセッサ」、「コンピュータ」、及び関連用語（例えば、「処理装置」、「コンピューティング装置」、及び「コントローラ」）は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路だけに限定されることはなく、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、特定用途集積回路、及び／又は他のプログラマブル回路を広く指し、これらの用語は、本明細書で交換可能に使用されている。本明細書で説明する実施形態では、メモリとしては、コンピュータ読取り可能な媒体（ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など）や、コンピュータ読取り可能な不揮発性媒体（フラッシュメモリなど）があるが、これらに限定されるものではない。あるいは、フロッピーディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ － Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）も使用可能である。また、本明細書で説明する実施形態では、追加の入力チャネルとして、マウス及びキーボードなどのオペレータインターフェースに関連するコンピュータ周辺機器があるが、それだけに限定されるものではない。あるいは、他のコンピュータ周辺機器は、例えば、スキャナなどを使用することができるが、これに限定されるものではない。更に、本明細書に記載の実施形態では、追加の出力チャネルとして、オペレータインターフェースモニタがあるが、それだけに限定されるものではない。
【0013】
本開示は、特定の用途のための例示的な実施形態で本明細書に記載されているが、本開示は、特定の用途のための例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。本明細書で提供される教示を利用できる当業者は、その教示の範囲及び本開示が重要な有用性を有すると考えられる追加の分野で、追加の修正、適用、及び実施形態を認識する。
【0014】
本明細書に記載のシステムは、慣性アセンブリと、発電モードと同期調相機モードとの間で電力システムを移行させるように動作可能なクラッチアセンブリとを含む電力システムに関する。具体的には、例示的な実施形態では、電力システムは、タービンとタービンシャフトとを含むタービンアセンブリ、発電機と発電機シャフトとを含む発電機アセンブリ、及び前記発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリを含む。タービンシャフトを発電機シャフトに結合するためのクラッチアセンブリも提供される。前記クラッチアセンブリ（１２０）は、前記タービンシャフト（１３４）が前記発電機シャフト（１１６）に結合される閉状態と、前記タービンシャフト（１３４）が前記発電機シャフト（１１６）から切り離される開状態との間で移行可能である。前記電力システム（１００）は、前記クラッチアセンブリ（１２０）が閉状態のときに発電モードで動作可能であり、前記クラッチアセンブリ（１２０）が開状態のときに同期調相機モードで動作可能である。
【0015】
例示的な実施形態において、電力システムは、クラッチアセンブリを制御することによって、発電モード又は同期調相機モードで選択的に動作することができる。クラッチアセンブリは、電力システムが発電モードにあるときにタービンシャフトを発電機シャフトに結合し、タービンシャフトを発電機から切り離して電力システムを同期調相機モードで動作させるように制御することが可能である。更に、慣性アセンブリは、グリッドに与えられる慣性を増強することができる。このように、電力システムは、グリッドのニーズの変化に応じて、異なるモードで動作するように適応することができる。
【0016】
図１は、本開示による例示的な電力システム１００の概略図である。例示的な実施形態では、電力システム１００は発電所１０２を含んでおり、電力プラント１０２は、タービンアセンブリ１０４、発電機アセンブリ１０６、及び慣性アセンブリ１０８を含む。電力システム１００は、グリッド支援装置、ハイブリッドフレックス発電所、フレックスＨコンデンサ（ｆｌｅｘ Ｈ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）発電所、及び他の適切な発電所のうちのいずれか１つの名称で呼ばれることがある。電力システム１００は、送電網１１０（本明細書では「グリッド」又は「電力グリッド」とも呼ばれる）に電気的に接続される。例示の実施形態では、電力システム１００は、発電機アセンブリ１０６を起動するための静的起動システム１１２を更に含む。他の実施形態では、電力システム１００は、静的始動システム１１２を含んでいない。
【0017】
発電機アセンブリ１０６は発電機１１４を含んでおり、発電機１１４は、発電機シャフト１１６に取り付けられたロータ（図示せず）であって、ステータ（図示せず）内に配置されたロータを有している。ロータは一定の磁場を発生し、ステータの巻線と相互作用する。巻線は、三相交流電圧のシステムから給電される。例示の実施形態では、発電機シャフト１１６は、第１のクラッチアセンブリ１２０に結合された第１の端部１１８と、第２のクラッチアセンブリ１２４に結合された第２の端部１２２との間に延在するシングルピースのシャフトである。発電機アセンブリ１０６は、更に、発電機シャフト１１６に結合された一対のステディ軸受１２６であって、発電機シャフト１１６の第１の端部１１８及び第２の端部１２２それぞれの近くに配置された一対のステディ軸受１２６を含む。スラスト軸受１４０は、発電機シャフト１１６の第１の端部１１８に近くにおいて、発電機シャフト１１６に結合されている。
【0018】
例示的な実施形態では、発電機アセンブリ１０６は、発電機シャフト１１６の第２の端部１２２の近くに配置された励磁リング１２８を更に含む。励起リング１２８は、励磁システム１３０から発生する励起電流を受け取るように構成されている。例示的な実施形態では、励磁リング１２８はスリップリングであり、正端子集電リング及び負端子集電リング（図示せず）を含むことができる。励磁システム１３０は、ＤＣ電力の生成に使用される励磁供給部を実現できる任意の適切な（例えば、市販の）励磁装置を含むことができる。他の実施形態では、励磁システム１３０及びリング１２８の代わりに、ブラシレス励磁器アセンブリ（図示せず）を使用することができる。例えば、小型の発電機では、励磁システム１３０及びリング１２８の代わりに、ブラシレス励磁機を使用することがある。このような一部の実施形態では、ブラシレス励磁機は、ＡＣをＤＣに整流するダイオードを備えた小型ＡＣオルタネータ、又は発電機シャフト１１６の第２の端部１２２の近くに配置された小型直流電気機械である。そのような一部の実施形態では、発電機１１４は、以下でより詳細に説明するように、フライホイールアセンブリ１０８及び／又はタービンアセンブリ１０４と組み合わせて、それぞれのモータ１４２、１４８によって起動することができる。
【0019】
タービンアセンブリ１０４は、タービン１３２とタービンシャフト１３４とを含む。例示的な実施形態では、タービン１３２は、タービンシャフト１３４を回転駆動するための燃焼器及び圧縮機（図示せず）も含むガスタービンである。本開示は、ガス動力タービンを含む火力発電所１０２を説明するが、本明細書で説明される概念は、火力発電所及び／又はガスタービンに限定されることはなく、異なる発電所又は発電装置（例えば、蒸気タービン、水力タービン、風力タービン、又は任意の適切な発電タービンなど）に代替的に組み込んでもよいことが理解される。タービン１３２が風力タービンである一部の実施形態では、風力タービンは、仮想慣性を生成するように制御されることもある。
【0020】
タービン１３２は、運転中にタービンシャフト１３４を回転駆動するように構成されている。ステディ軸受１２６は、タービン１３２と第１のクラッチアセンブリ１２０との間において、タービンシャフト１３４に結合される。タービンアセンブリ１０４は第１の駆動モータ１４２を更に含む。第１の駆動モータ１４２は、タービンシャフト１３４に結合されており、以下に更に詳細に説明されるように、タービンシャフト１３４を発電機シャフト１１６との同期速度まで駆動するように動作可能である。ステディ軸受１２６は、タービン１３２と第１の駆動モータ１４２との間において、タービンシャフト１３４に結合されている。他の実施形態では、スラスト軸受１４０がタービンシャフト１３４に結合されることがある。
【0021】
慣性アセンブリ１０８は、フライホイール１４４とフライホイールシャフト１４６とを含んでいる。フライホイールシャフト１４６は、フライホイールシャフト１４６の振動を制御するために、慣性アセンブリ１０８の一対のステディ軸受１２６に結合される。フライホイールシャフト１４６は、フライホイール１４４と回転するように、フライホイール１４４に更に結合されている。フライホイール１４４は、発電機アセンブリ１０６及びタービン１３２（接続されている場合）と連携して運動エネルギーを蓄積して回収するように構成される。フライホイール１４４は、フライホイールシャフト１４６に結合された任意の適切な回転質量（図示せず）を含むことができる。慣性アセンブリ１０８は、真空シール、フライホイール１４４を収容するための真空圧力ケーシング、１つ以上の冷却システム、及び／又は他の適切なサブアセンブリ（図示せず）のうちの１つ以上を更に含むことができる。慣性アセンブリ１０８は第２の駆動モータ１４８を更に含む。第２の駆動モータ１４８は、フライホイールシャフト１４６に結合されており、以下に更に詳細に説明されるように、フライホイールシャフト１４６を発電機シャフト１１６との同期速度まで駆動するように動作可能である。例示的な実施形態では、第１の駆動モータ１４２及び第２の駆動モータ１４８はそれぞれ、ポニーモータ及び可変速度ドライブ（図示せず）を含むが、他の実施形態では、任意の適切な駆動モータを使用することができる。他の実施形態では、慣性アセンブリ１０８及びタービンアセンブリ１０４のいずれか一方又は両方が、対応する駆動モータ１４２、１４８を含まない。
【0022】
第１のクラッチアセンブリ１２０は、発電機シャフト１１６をタービンシャフト１３４に選択的に結合するように動作可能である。第１のクラッチアセンブリ１２０は、一対のステディ軸受１２６、第１のロック可能なクラッチ１５０、及び第１のターニングギア１５２を含む。第１のターニングギア１５２は、タービン１３２と第１のロック可能なクラッチ１５０との間に配置される。第２のクラッチアセンブリ１２４は、フライホイールシャフト１４６を発電機シャフト１１６に選択的に結合するように動作可能である。例示的な実施形態では、第２のクラッチアセンブリ１２４は、第１のクラッチアセンブリ１２０と実質的に同じであるが、発電機アセンブリ１０６に対して鏡面関係にあることが異なっている。すなわち、第２のクラッチアセンブリ１２４は、一対のステディ軸受１２６、第２のロック可能なクラッチ１５４、及びフライホイール１４４と第２のロック可能なクラッチ１５４との間に位置する第２の回転ギア１５６を含んでいる。
【0023】
例示的な実施形態では、第１のクラッチアセンブリ１２０及び第２のクラッチアセンブリ１２４はそれぞれ、電力システム１００の動作モードを変更するために、閉状態と開状態との間で選択的に移行可能である。特に、第１のクラッチアセンブリ１２０は、電力システム１００を、発電モードにおける電力発生装置としてのシステム１００の動作（本明細書では「電力モード」とも呼ばれる）と同期調相機モードにおける同期調相機としてのシステム１００の動作（本明細書では「調相機モード」とも呼ばれる）との間で変更できるように動作可能である。第２のクラッチアセンブリ１２４は、電力システム１００を、低慣性モード又は標準慣性モードと高慣性モードとの間で変更するように動作可能である。
【0024】
例示的な実施形態では、第１のクラッチアセンブリ１２０及び第２のクラッチアセンブリ１２４はそれぞれ、入力部及び出力部（図示せず）を含んでおり、開状態と閉状態との間で移行可能である。一部の実施形態において、入力部と出力部は、実質的に同じ速度で入力部と出力部を回転させることによって、クラッチアセンブリ１２０、１２４を閉じるように係合させることができる。例えば、出力部が入力部より速く回転している場合、クラッチは開いたままである。入力部と出力部が実質的に同じ速度になると、クラッチアセンブリ１２０，１２４は閉じ、速度が再び異なるまで閉じたままとなる。更に、例示の実施形態では、クラッチアセンブリ１２０、１２４は、ロック状態とロック解除状態の間で移行可能である。ロック解除状態では、入力部から出力部に電力を伝達することができるが、出力部から入力部に電力を伝達することはできない。ロックされると、クラッチアセンブリ１２０、１２４は、出力部から入力部に電力を伝達することができる。本明細書において、クラッチアセンブリ１２０、１２４を「閉じる」ことは、クラッチアセンブリを閉状態に移行させることと、クラッチアセンブリをロック状態に移行させることの両方を含むことができる。更に、クラッチアセンブリ１２０，１２４を「開く」ことは、クラッチアセンブリをロック解除状態に移行させることと、クラッチアセンブリを開状態に移行させることの両方を含むことができる。一部の実施形態では、第１のクラッチアセンブリ１２０の入力部はタービンシャフト１３４に結合され、第１のクラッチアセンブリ１２０の出力部は、発電機シャフト１１６に結合される。更に、そのような一部の実施形態では、第２のクラッチアセンブリ１２４の入力部は、発電機シャフト１１６に結合され、第２のクラッチアセンブリ１２４の出力部は、フライホイールシャフト１４６に結合される。他の実施形態では、クラッチアセンブリ１２０、１２４の入力部及び出力部は、電力システム１００が本明細書に記載されるように機能することができる。
【0025】
【0026】
図２を参照すると、電力システム１００は、標準慣性電力モード２００である。特に、第１のクラッチアセンブリ１２０は閉状態にあり、タービンシャフト１３４は、発電機シャフト１１６を回転駆動するために発電機シャフト１１６に結合されている。このモード２００では、発電機シャフト１１６及びタービンシャフト１３４はそれぞれ回転しており、フライホイールシャフト１４６は回転していない。発電モードで動作する場合、発電機１１４は、発電機シャフト１１６の回転及び発電機のロータとステータ（図示せず）との対応する電磁相互作用によって、電力グリッド１１０（図１に示す）に電力を供給する。更に、図２の実施例では、第２のクラッチアセンブリ１２４は開状態にあり、発電機シャフト１１６はフライホイールシャフト１４６から切り離され、（すなわち、フライホイール１４４により慣性が加えられることなく）標準慣性が提供される。
【0027】
図３を参照すると、電力システム１００は、標準慣性調相機モード３００にある。例示的な実施形態では、第１のクラッチアセンブリ１２０は開状態にあり、タービンシャフト１３４は発電機シャフト１１６から切り離されている。図３の実施形態では、発電機１１４は、電力グリッド１１０の同期調相機として機能することができる。同期調相機モードで動作する場合、発電機１１４は、例えば、無効電力を生成する又は吸収することによって、電力伝送網（図１に示す）の状態を調整することができる。例えば、再生可能な電力発電が多い期間には、電力システム１００が電力を生成する必要性が減少し、代わりに、電力システム１００を、電圧変動を低減してグリッド１１０の電圧を調整するために同期調相機モード３００，５００のいずれかのモードで運転すること、及び短絡支援を提供することが望ましい場合がある。更に、図３の実施例では、第２のクラッチアセンブリ１２４は開状態にあり、発電機シャフト１１６はフライホイールシャフト１４６から切り離されている。モード３００では、発電機シャフト１１６が回転しており、フライホイールシャフト１４６及びタービンシャフト１３４はそれぞれ回転していない。
【0028】
例示的な実施形態では、第２のクラッチアセンブリ１２４は、電力システム１００の慣性レベルを変更するために選択的に制御可能である。例えば、第２のクラッチアセンブリ１２４が開状態にあるとき、図２及び図３に示すように、フライホイール１４６は発電機シャフト１１６から切り離され、電力システム１００は標準慣性モードで動作可能である。
【0029】
図４を参照すると、電力システム１００は、高慣性電力モード４００にある。特に、図４において、第１のクラッチアセンブリ１２０及び第２のクラッチアセンブリ１２４はそれぞれ閉状態にあり、電力システム１００は発電モード及び高慣性モードにある。高慣性モードでは、フライホイールシャフト１４６は、発電機シャフト１１６に結合されており、発電機シャフト１１６の回転によって、フライホイールシャフト１４６が回転する（逆に、フライホイールシャフト１４６の回転によって、発電機シャフト１１６が回転する）。その結果、高慣性モードで動作する場合、電力システム１００の慣性が増加する。モード４００では、発電機シャフト１１６、フライホイールシャフト１４６、タービンシャフト１３４の各々が回転する。
【0030】
図５を参照すると、電力システム１００は、高慣性調相機モード５００である。特に、第１のクラッチアセンブリ１２０は開状態であり、第２のクラッチアセンブリ１２４は閉状態である。モード５００では、発電機シャフト１１６及びフライホイールシャフト１４６がそれぞれ回転しており、タービンシャフト１３４は回転していない。
【0031】
標準慣性モードと高慣性モードとの間の電力システム１００の慣性の変化は、電力システムの慣性定数Ｈの変化で表すことができる。慣性定数Ｈは式（１）に従って計算される。式（１）は以下の通りである。
式（１）
ここで、Ｈは慣性定数（メガワット秒／メガボルトアンペア（ＭＷｓ／ＭＶＡ））である。Ｊは、慣性モーメント（キログラム平方メートル（ｋｇｍ２）での）に等しく、ωは、公称回転速度（ラジアン／秒）に等しく、ＶＡｂａｓｅは、発電機１１４のＭＶＡ定格に等しい。一部の実施形態では、複数の発電モードのうちの１つのモードで動作するときの電力システム１００の慣性定数Ｈは、電力システム１００の構造や、電力タービンアセンブリ１０４に使用される燃料タイプに応じて、２ＭＷｓ／ＭＶＡ～１０ＭＷｓ／ＭＶＡの範囲とすることができる。
ここで、Ｈは慣性定数（メガワット秒／メガボルトアンペア（ＭＷｓ／ＭＶＡ））である。Ｊは、慣性モーメント（キログラム平方メートル（ｋｇｍ２）での）に等しく、ωは、公称回転速度（ラジアン／秒）に等しく、ＶＡｂａｓｅは、発電機１１４のＭＶＡ定格に等しい。一部の実施形態では、複数の発電モードのうちの１つのモードで動作するときの電力システム１００の慣性定数Ｈは、電力システム１００の構造や、電力タービンアセンブリ１０４に使用される燃料タイプに応じて、２ＭＷｓ／ＭＶＡ～１０ＭＷｓ／ＭＶＡの範囲とすることができる。
【0032】
例示的な実施形態では、発電所の運転について考えた場合、高慣性モードでは、標準慣性モードと比較して、電力システム１００の慣性定数Ｈが、例えばフライホイール１４４の特性及び他の動作パラメータに応じて、少なくとも１．２５倍、少なくとも１．５倍、又は少なくとも１．７５倍に増加する場合がある。例示的な実施形態では、高慣性発電モード４００で動作する場合（すなわち、フライホイール１４４を使用する場合）、慣性定数Ｈは、標準慣性発電モード２００に対して２倍増加する。より具体的には、例示的な実施形態では、標準慣性発電モード２００で動作する場合、電力システム１００の慣性定数Ｈは約５ＭＷｓ／ＭＶＡであり、これは、発電機１１４の２ＭＷｓ／ＭＶＡとタービン１３２の３ＭＷｓ／ＭＶＡの慣性定数に基づいている。更に、例示の実施形態では、フライホイール１４４の慣性定数Ｈは５ＭＷｓ／ＭＶＡである。その結果、高慣性発電モード４００で動作する場合、電力システム１００の慣性定数Ｈは約１０ＭＷｓ／ＭＶＡである。言い換えれば、高慣性モードで動作することにより、電力システム１００は、通常であれば２つの発電所が必要であると考えられる電力グリッド１１０に、同じ大きさの慣性を与えることができる。
【0033】
フライホイール１４４を使用すると、同期調相機の動作中に、慣性定数Ｈに更に大きな影響を与える可能性がある。例えば、例示的な実施形態では、標準慣性同期調相機モード３００で動作する場合、電力システム１００の慣性定数Ｈは、約１ＭＷｓ／ＭＶＡと約２ＭＷｓ／ＭＶＡとの間であり、これは、発電機１１４の特性に基づいている。高慣性同期調相機モード５００で動作する場合、電力システム１００の慣性定数Ｈは約５ＭＷｓ／ＭＶＡと約１０ＭＷｓ／ＭＶＡとの間であり、より具体的には、例示の実施形態では、フライホイール１４４により提供される追加の５ＭＷｓ／ＭＶＡによって７ＭＷｓ／ＭＶＡとなる。その結果、高慣性調相機モード５００で動作する場合、慣性定数Ｈは、標準慣性調相機モード３００に対して、少なくとも２．５倍、少なくとも５倍、又は少なくとも１０倍に増加する。例示的な実施形態では、高慣性調相機モード５００で動作する場合、慣性定数Ｈは、標準慣性調相機モード３００に対して、３．５倍に増加する。
【0034】
他の実施形態では、電力システム１００は、第２のクラッチアセンブリ１２４を含まず、フライホイールシャフト１４６は、発電機シャフト１１６から選択的に切り離すように構成されていない。例えば、一部の実施形態では、フライホイールシャフト１４６及び発電機シャフト１１６は、単一のシャフトとすることができる。そのような実施形態では、フライホイール１４４は、システム１００が発電動作モードであるか同期調相機動作モードであるかどうかにかかわらず動作し、システム１００は低慣性動作モードに移行することはできない。
【0035】
例示的な実施形態では、電力システム１００は、第１のクラッチアセンブリ１２０及び第２のクラッチアセンブリ１２４と通信可能に結合されたコントローラ１６０を更に含む。コントローラ１６０は、少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）と少なくとも１つのメモリ装置（図示せず）とを含むコンピュータシステムである。メモリ装置は、電力システム１００の１つ以上のサブシステムを制御する動作を実行するために、プロセッサによってアクセスされる非一過性のコンピュータ可読媒体及びプログラムを含むことができる。例示的な実施形態では、コントローラ１６０は、第１のクラッチアセンブリ１２０、第２のクラッチアセンブリ１２４、第１の駆動モータ１４２、及び第２の駆動モータ１４８に通信可能に結合される。
【0036】
コントローラ１６０は、動作中に開状態と閉状態との間で移行するように、それぞれのクラッチアセンブリ１２０、１２４を選択的に制御する。一部の実施形態では、第１のクラッチアセンブリ１２０及び第２のクラッチアセンブリ１２４はそれぞれ、コントローラ１６０と通信可能に結合されたアクチュエータ（図示せず）であって、それぞれのクラッチアセンブリを開状態と閉状態との間で駆動するように構成されたアクチュエータを含む。図２～図５には示されていないが、コントローラ１６０は、電力システム１００の制御可能な他のサブシステム（図１に示す静的始動システム１１２及び励磁システム１３０など）にも通信可能に結合されていることが理解される。
【0037】
一部の実施形態では、コントローラ１６０は、１つ以上のトリガの条件が満たされていることに基づいて、電力システム１００を異なる動作モード間で自動的に切り替えるように更に構成することができる。例えば、一部の実施形態において、コントローラ１６０は、電力グリッド条件（使用量、電圧変動、需要、価格など）を監視し、検出されたグリッド条件に基づいて電力システム１００の所望の動作モードを決定するように構成されている。一実施例として、一部の実施形態では、コントローラ１６０は、検出されたグリッド条件に基づいて、パワーシステム１００を、標準慣性電力モードから高慣性調相機モード５００に自動的に切り替えることができる。更に、一部の実施形態では、コントローラ１６０は、一日の中で、再生可能エネルギーが多く発電される時間帯に基づいて、電力システム１００の動作モードを自動的に切り替えてもよい。例えば、一部の実施形態において、コントローラ１６０は、電力システム１００を、太陽エネルギー生産がピークとなる真昼に、発電モード２００、４００のうちの１つのモードから、同期調相機モード３００、５００のうちの１つのモードに自動的に切り替えてもよい。
【0038】
コントローラ１６０は、駆動モータ１４２，１４８を制御して、発電機１１４を停止させることなく電力システム１００の動作モードを切り替えることができるように更に構成される。例えば、複数の同期調相機モードのうちの１つのモードで動作しているとき（例えば、図３及び図５に示されるモード）、発電モードに切り替えるために、第１の駆動モータ１４２は、タービンシャフト１３４を、発電機シャフト１１６の回転速度と実質的に一致する又は同期する回転速度まで駆動するように制御して、第１のクラッチアセンブリ１２０を閉じることができる。更に、第２の駆動モータ１４８は、複数の標準慣性モードのうちの１つのモードから複数の高慣性モードのうちの１つのモードに切り替えるとき（例えば、図４及び５に示すモード）、フライホイールシャフト１４６に対して実質的に同じ方法で制御することができる。一部の実施形態では、コントローラ１６０は、遠隔処理施設又はグリッドオペレータ（図示せず）から命令を受信し、受信した命令に基づいて電力システム１００を制御するように構成することもできる。
【0039】
図６は、発電所１０２の動作モードを変更する手順を決定するための表の一例を示す。特に、例示的な実施形態では、電力システム１００は、電力システム１００を停止することなく（すなわち、発電機シャフト１１６の回転を停止又は大幅に減速することなく）、異なる動作モード２００～５００（図２～図５に示す）の間で移行するように構成される。第１の表６０２は、発電所を、動作モード２００－５００のうちの１つの動作モードから動作モード２００－５００のうちの別の動作モードに変更するために使用される手順識別子を示す。第２の表６０４は、第１の表６０２で使用される手順識別子に関連する手順を説明するものである。
【0040】
第１の表６０２の第１行は、通常慣性電力モード２００の動作から他の各モードに切り替える手順を示している。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第１のクラッチアセンブリ１２０を開くことによって、通常の慣性調相機モードに切り替えられる。例示的な実施形態では、電力システム１００は、フライホイールシャフト１４６が第２のクラッチアセンブリ１２４と同期するように第２の駆動モータ１４８を動作させ、その後で第２クラッチアセンブリ１２４を閉じることによって、高慣性電力モード４００に切り替えられる。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第１のクラッチアセンブリ１２０を開くこと、更に、フライホイールシャフト１４６が第２のクラッチアセンブリ１２４と同期するように第２の駆動モータ１４８を動作させ、その後で第２のクラッチアセンブリ１２４を閉じることによって、高慣性調相機モード５００に切り替えられる。
【0041】
第１の表６０２の第２行は、通常慣性同期調相機モード３００の動作から他の各モードへの切替えの手順を示している。例示的な実施形態では、電力システム１００は、タービンシャフト１３４が第１のクラッチアセンブリ１２０と同期するように第１の駆動モータ１４２を動作させ、その後で第１のクラッチアセンブリ１２０を閉じることによって、通常の慣性発電所モード２００に切り替えられる。例示の実施形態では、電力システム１００は、フライホイールシャフト１４６が第２のクラッチアセンブリ１２４と同期するように第２の駆動モータ１４８を動作させ、その後で第２のクラッチアセンブリ１２４を閉じること、更に、タービンシャフト１３４が第１のクラッチアセンブリ１２０と同期するように第１の駆動モータ１４２を動作させ、その後で第１のクラッチアセンブリ１２０を閉じることによって、高慣性発電所モード４００に切り替えられる。更に、例示的な実施形態では、電力システム１００は、フライホイールシャフト１４６が第２のクラッチアセンブリ１２４と同期するように第２の駆動モータ１４８を動作させ、その後で第２のクラッチアセンブリ１２４を閉じることによって、高慣性調相機モード５００に切り替えられる。
【0042】
第１の表６０２の第３行は、高慣性電力モード４００の動作から他の各モードへの切替えの手順を示している。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第２のクラッチアセンブリ１２４を（例えば、図２に示すように）開くことによって、通常慣性電力モード２００に切り替えられる。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第１のクラッチアセンブリ１２０と第２のクラッチアセンブリ１２４の両方を開くことによって、通常慣性同期調相機モード３００に切り替えられる。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第１のクラッチアセンブリ１２０を開くことによって、高慣性同期調相機モード５００に切り替えられる。
【0043】
第１の表６０２の第４行は、高慣性調相機モード５００の動作から他の各モードへの切替えの手順を示している。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第２のクラッチアセンブリ１２４を開くこと、更に、タービンシャフト１３４が第１のクラッチアセンブリ１２０と同期するように第１の駆動モータ１４２を動作させ、その後で第１クラッチアセンブリ１２０を閉じることによって、通常慣性発電所モード２００に切り替えられる。例示的な実施形態では、電力システム１００は、第２のクラッチアセンブリ１２４を開くことによって、通常慣性同期調相機モード３００に切り替えられる。更に、例示的な実施形態では、電力システム１００は、タービンシャフト１３４が第１のクラッチアセンブリ１２０と同期するように第１の駆動モータ１４２を動作させ、その後で第１のクラッチアセンブリ１２０を閉じることによって、高慣性発電所モード４００に切り替えられる。
【0044】
代替の実施形態では、発電機シャフト１１６が回転しているとき、第１のクラッチアセンブリ１２０及び／又は第２のクラッチアセンブリ１２４は、発電機シャフト１１６の速度を低下することによって、発電機シャフト１１６に結合することができる。例えば、一部の実施形態では、手順Ｄは、代替的に、発電機シャフト１１６の速度を回転ギア速度まで低下させ、その後で第２のクラッチアセンブリ１２４を閉じることを含むことができる。同様に、手順Ｅは、代替的に、発電機シャフト１１６の速度をターニングギア速度まで低下させ、その後に第１のクラッチアセンブリ１２０を閉じることを含むことができる。
【0045】
更に、又は代替的に、発電所１０２は、発電機１１４の出力を低下し、クラッチアセンブリ１２０、１２４を上記のように調整することによって、上記のモードのうちのいずれか１つのモードに切り替えることができる。他の実施形態では、第１のクラッチアセンブリ１２０及び第２のクラッチアセンブリ１２４のうちの１つ以上のクラッチアセンブリが、ボルト式連結器（図示せず）を含むことができる。一部の実施形態では、クラッチアセンブリ１２０、１２４は、コントローラ１６０によって移行されるのではなく、ボルト式連結器を（例えば、オペレータによって）手動で連結／連結解除することにより移行される。更に、一部の実施形態では、コントローラ１６０は、慣性アセンブリ１０８、発電機アセンブリ１０６、タービンアセンブリ１０４のうちの少なくとも１つのアセンブリの追加サブシステムの動作を制御するように更に構成される。
【0046】
図７は、電力システムを運転する方法７００の一例のフロー図である。例示的な実施形態では、方法７００は、クラッチアセンブリ（例えば、クラッチアセンブリ１２０）を閉状態に移行することによって、タービンアセンブリのタービンシャフトを発電機アセンブリの発電機シャフトに結合すること（７０２）を含む。発電機シャフトは慣性アセンブリのフライホイールに結合されている。方法は、クラッチアセンブリが閉状態にある間に、電力システムを発電モードで動作させること（７０４）を更に含む。方法は更に、クラッチアセンブリを開いて開状態にし、タービンシャフトを発電機シャフト及びフライホイールから切り離すこと（７０６）を含む。方法は更に、クラッチアセンブリが開状態にある間に、電力システムを同期調相機モードで動作させること（７０８）を含む。
【0047】
上記の実施形態は、発電モードと同期調相機モードとの間で電力システムを移行させるように動作可能な慣性アセンブリ及びクラッチアセンブリを含む電力システムに関するものである。具体的には、例示的な実施形態において、電力システムは、タービン及びタービンシャフトを含むタービンアセンブリと、発電機及び発電機シャフトを含む発電機アセンブリと、発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリとを含む。タービンシャフトを発電機シャフトに選択的に結合するためのクラッチアセンブリも提供される。クラッチアセンブリは、タービンシャフトが発電機シャフトに結合されている閉状態と、タービンシャフトが発電機シャフトから切り離されている開状態との間で移行可能である。電力システムは、クラッチアセンブリが閉状態にあるときは発電モードで動作可能であり、クラッチアセンブリが開状態にあるときは同期調相機モードで動作可能である。
【0048】
例示的な実施形態において、電力システムは、クラッチアセンブリを制御することによって、発電モード又は同期調相機モードで選択的に動作することができる。クラッチアセンブリは、電力システムが発電モードにあるときにタービンシャフトを発電機シャフトに結合し、タービンシャフトを発電機から切り離して電力システムを同期調相機モードで動作するように制御することが可能である。更に、慣性アセンブリは、グリッドに与えられる慣性を増強することが可能である。このように、電力システムは、グリッドのニーズの変化に応じて、異なるモードで動作するように適応することができる。
【0049】
更に、本明細書に記載のシステム及び方法の技術的効果の一部の例としては、（ａ）電力システムにおける電気グリッドのニーズに対応する機能を向上すること、（ｂ）個別の専用の慣性ユニットを実装することを必要とせずに、電力システムの慣性を増強すること、（ｃ）発電と同期調相機の機能を実現するための個別の設備の必要性を少なくする又は当該個別の設備の必要性を無くすことによって、運用コスト及び材料を削減すること、及び（ｄ）電力システムの効率を向上すること、の少なくとも１つが含まれる。
【0050】
本開示のさらなる態様は、以下の実施形態によって提供される。
［実施形態１］
電力システムであって、タービンとタービンシャフトとを含むタービンアセンブリ、発電機と発電機シャフトとを含む発電機アセンブリ、前記発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリ、及び前記タービンシャフトを前記発電機シャフトに結合するクラッチアセンブリであって、前記クラッチアセンブリは、前記タービンシャフトが前記発電機シャフトに結合される閉状態と、前記タービンシャフトが前記発電機シャフトから切り離される開状態との間で移行可能であり、前記電力システムは、前記クラッチアセンブリが閉状態のときに発電モードで動作可能であり、前記クラッチアセンブリが開状態のときに同期調相機モードで動作可能である、クラッチアセンブリを含む電力システム。
［実施形態２］
前記慣性アセンブリは、前記フライホイールに結合されたフライホイールシャフトと、前記発電機シャフトとを更に含む、実施形態１に記載の電力システム。
［実施形態３］
前記発電機シャフトは、第１の端部と、前記第１の端部の反対側の第２の端部とを含み、前記クラッチアセンブリは、前記第１の端部において前記発電機シャフトに結合され、前記フライホイールシャフトは、前記第２の端部において前記発電機シャフトに結合されている、実施形態１又は２に記載の電力システム。
［実施形態４］
前記クラッチアセンブリは、第１のクラッチアセンブリであり、前記電力システムは、前記フライホイールシャフトを前記発電機シャフトに結合するための第２のクラッチアセンブリを更に含む、実施形態１～３のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態５］
前記第１のクラッチアセンブリ及び前記第２のクラッチアセンブリと通信するように結合されたコントローラを更に含み、前記コントローラは、前記電力システムを、標準慣性発電モード、高慣性発電モード、標準慣性同期調相機モード、及び高慣性同期調相機モードのうちの少なくとも３つのモードの間で切り替えるように、前記第１のクラッチアセンブリ及び前記第２のクラッチアセンブリの状態を制御する、実施形態１～４のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態６］
前記電力システムは、前記標準慣性発電モードで動作する場合は第１の慣性定数を有し、前記高慣性発電モードで動作する場合は第２の慣性定数を有し、前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の少なくとも１．２５倍の定数である、実施形態１～５のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態７］
前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の２倍の定数である、実施形態１～６のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態８］
前記タービンアセンブリは、前記タービンシャフトに結合された駆動モータを更に含み、前記駆動モータは、前記タービンシャフトが、前記発電機シャフトの同期速度まで回転するように、前記タービンシャフトを駆動して、前記電力システムを前記同期調相機モードから前記発電モードに移行させる、実施形態１～７のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態９］
前記電力システムが前記同期調相機モードで動作しているとき、前記クラッチアセンブリは、前記電力システムを前記同期調相機モードから前記発電モードに切り替えるために、前記開状態から前記閉状態に移行するように動作可能である、実施形態１～８のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１０］
前記電力システムは、前記発電機シャフトの回転を減速させることなく、前記同期調相機モードから前記発電モードに切り替わるように構成される、実施形態１～９のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１１］
前記クラッチアセンブリは、前記発電機シャフトに結合された第１のステディ軸受と、前記タービンシャフトに結合された第２のステディ軸受と、ロック可能なクラッチと、回転ギアとを更に含む、実施形態１～１０のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１２］
前記発電機アセンブリは、励磁システム、及び前記発電機シャフトに結合された励磁リングであって、前記励磁リングは、前記励磁システムから発生する電流を受け取るように構成されている、励磁リングを更に含む、実施形態１～１１のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１３］
電力システムを動作させる方法であって、クラッチアセンブリを閉状態に移行することによって、タービンアセンブリのタービンシャフトを発電機アセンブリの発電機シャフトに結合することであって、前記発電機シャフトは慣性アセンブリのフライホイールに結合されている、発電機アセンブリの発電機シャフトに結合すること、前記クラッチアセンブリが閉状態にある間に、前記電力システムを発電モードで動作させること、前記クラッチアセンブリを開いて開状態にし、前記タービンシャフトを前記発電機シャフト及び前記フライホイールから切り離すこと、及び前記クラッチアセンブリが開状態にある間に、前記電力システムを同期調相機モードで動作させることを含む、電力システムを動作させる方法。
［実施形態１４］
前記電力システムが前記同期調相機モードで動作している間に、前記クラッチアセンブリを閉じて前記タービンシャフトを前記発電機シャフトに結合し、前記電力システムを前記発電モードに切り替えることを更に含む、実施形態１３に記載の方法。
［実施形態１５］
前記クラッチアセンブリを閉じる前に、前記タービンシャフトに結合された駆動モータによって、前記タービンシャフトの回転を駆動して、前記発電機シャフトの回転速度に一致させることを更に含む、実施形態１３又は１４に記載の方法。
［実施形態１６］
前記慣性アセンブリは、前記フライホイールに結合されたフライホイールシャフトと、前記発電機シャフトとを更に含み、前記発電機シャフトは、第１の端部と、前記第１の端部の反対側の第２の端部とを含み、前記クラッチアセンブリは、前記発電機シャフトを前記発電機シャフトの第１の端部において前記タービンシャフトに結合し、前記方法は、前記フライホイールシャフトを、前記第２の端部において前記発電機シャフトに結合することを含む、実施形態１３～１５のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態１７］
前記慣性アセンブリは、前記フライホイールに結合されたフライホイールシャフトと、前記発電機シャフトとを更に含み、前記クラッチアセンブリは、第１のクラッチアセンブリであり、前記方法は、前記フライホイールシャフトを第２のクラッチアセンブリによって前記発電機シャフトに結合することを更に含む、実施形態１３～１６のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態１８］
前記電力システムを、標準慣性発電モード、高慣性発電モード、標準慣性同期調相機モード、及び高慣性同期調相機モードのうちの少なくとも３つのモードの間で切り替えることを含む、実施形態１３～１７のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態１９］
前記電力システムは、前記標準慣性発電モードで動作する場合は第１の慣性定数を有し、前記高慣性発電モードで動作する場合は第２の慣性定数を有し、前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の少なくとも１．２５倍の定数である、実施形態１３～１８のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態２０］
電力システムであって、タービンとタービンシャフトとを含むタービンアセンブリ、発電機と発電機シャフトとを含む発電機アセンブリであって、前記発電機シャフトは、第１の端部から、反対側の第２の端部まで延在する、発電機アセンブリ、前記発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリ、前記タービンシャフトを前記発電機シャフトの第１の端部に結合するように動作可能な第１のクラッチアセンブリ、及び前記フライホイールシャフトを前記発電機シャフトの第２の端部に結合するように動作可能な第２のクラッチアセンブリを含み、前記電力システムは、前記第１のクラッチアセンブリが閉じているときに発電モードで動作可能であり、前記第１のクラッチアセンブリが開いているときに同期調相機モードで動作可能である、電力システム。
［実施形態１］
電力システムであって、タービンとタービンシャフトとを含むタービンアセンブリ、発電機と発電機シャフトとを含む発電機アセンブリ、前記発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリ、及び前記タービンシャフトを前記発電機シャフトに結合するクラッチアセンブリであって、前記クラッチアセンブリは、前記タービンシャフトが前記発電機シャフトに結合される閉状態と、前記タービンシャフトが前記発電機シャフトから切り離される開状態との間で移行可能であり、前記電力システムは、前記クラッチアセンブリが閉状態のときに発電モードで動作可能であり、前記クラッチアセンブリが開状態のときに同期調相機モードで動作可能である、クラッチアセンブリを含む電力システム。
［実施形態２］
前記慣性アセンブリは、前記フライホイールに結合されたフライホイールシャフトと、前記発電機シャフトとを更に含む、実施形態１に記載の電力システム。
［実施形態３］
前記発電機シャフトは、第１の端部と、前記第１の端部の反対側の第２の端部とを含み、前記クラッチアセンブリは、前記第１の端部において前記発電機シャフトに結合され、前記フライホイールシャフトは、前記第２の端部において前記発電機シャフトに結合されている、実施形態１又は２に記載の電力システム。
［実施形態４］
前記クラッチアセンブリは、第１のクラッチアセンブリであり、前記電力システムは、前記フライホイールシャフトを前記発電機シャフトに結合するための第２のクラッチアセンブリを更に含む、実施形態１～３のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態５］
前記第１のクラッチアセンブリ及び前記第２のクラッチアセンブリと通信するように結合されたコントローラを更に含み、前記コントローラは、前記電力システムを、標準慣性発電モード、高慣性発電モード、標準慣性同期調相機モード、及び高慣性同期調相機モードのうちの少なくとも３つのモードの間で切り替えるように、前記第１のクラッチアセンブリ及び前記第２のクラッチアセンブリの状態を制御する、実施形態１～４のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態６］
前記電力システムは、前記標準慣性発電モードで動作する場合は第１の慣性定数を有し、前記高慣性発電モードで動作する場合は第２の慣性定数を有し、前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の少なくとも１．２５倍の定数である、実施形態１～５のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態７］
前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の２倍の定数である、実施形態１～６のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態８］
前記タービンアセンブリは、前記タービンシャフトに結合された駆動モータを更に含み、前記駆動モータは、前記タービンシャフトが、前記発電機シャフトの同期速度まで回転するように、前記タービンシャフトを駆動して、前記電力システムを前記同期調相機モードから前記発電モードに移行させる、実施形態１～７のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態９］
前記電力システムが前記同期調相機モードで動作しているとき、前記クラッチアセンブリは、前記電力システムを前記同期調相機モードから前記発電モードに切り替えるために、前記開状態から前記閉状態に移行するように動作可能である、実施形態１～８のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１０］
前記電力システムは、前記発電機シャフトの回転を減速させることなく、前記同期調相機モードから前記発電モードに切り替わるように構成される、実施形態１～９のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１１］
前記クラッチアセンブリは、前記発電機シャフトに結合された第１のステディ軸受と、前記タービンシャフトに結合された第２のステディ軸受と、ロック可能なクラッチと、回転ギアとを更に含む、実施形態１～１０のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１２］
前記発電機アセンブリは、励磁システム、及び前記発電機シャフトに結合された励磁リングであって、前記励磁リングは、前記励磁システムから発生する電流を受け取るように構成されている、励磁リングを更に含む、実施形態１～１１のうちのいずれかの実施形態に記載の電力システム。
［実施形態１３］
電力システムを動作させる方法であって、クラッチアセンブリを閉状態に移行することによって、タービンアセンブリのタービンシャフトを発電機アセンブリの発電機シャフトに結合することであって、前記発電機シャフトは慣性アセンブリのフライホイールに結合されている、発電機アセンブリの発電機シャフトに結合すること、前記クラッチアセンブリが閉状態にある間に、前記電力システムを発電モードで動作させること、前記クラッチアセンブリを開いて開状態にし、前記タービンシャフトを前記発電機シャフト及び前記フライホイールから切り離すこと、及び前記クラッチアセンブリが開状態にある間に、前記電力システムを同期調相機モードで動作させることを含む、電力システムを動作させる方法。
［実施形態１４］
前記電力システムが前記同期調相機モードで動作している間に、前記クラッチアセンブリを閉じて前記タービンシャフトを前記発電機シャフトに結合し、前記電力システムを前記発電モードに切り替えることを更に含む、実施形態１３に記載の方法。
［実施形態１５］
前記クラッチアセンブリを閉じる前に、前記タービンシャフトに結合された駆動モータによって、前記タービンシャフトの回転を駆動して、前記発電機シャフトの回転速度に一致させることを更に含む、実施形態１３又は１４に記載の方法。
［実施形態１６］
前記慣性アセンブリは、前記フライホイールに結合されたフライホイールシャフトと、前記発電機シャフトとを更に含み、前記発電機シャフトは、第１の端部と、前記第１の端部の反対側の第２の端部とを含み、前記クラッチアセンブリは、前記発電機シャフトを前記発電機シャフトの第１の端部において前記タービンシャフトに結合し、前記方法は、前記フライホイールシャフトを、前記第２の端部において前記発電機シャフトに結合することを含む、実施形態１３～１５のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態１７］
前記慣性アセンブリは、前記フライホイールに結合されたフライホイールシャフトと、前記発電機シャフトとを更に含み、前記クラッチアセンブリは、第１のクラッチアセンブリであり、前記方法は、前記フライホイールシャフトを第２のクラッチアセンブリによって前記発電機シャフトに結合することを更に含む、実施形態１３～１６のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態１８］
前記電力システムを、標準慣性発電モード、高慣性発電モード、標準慣性同期調相機モード、及び高慣性同期調相機モードのうちの少なくとも３つのモードの間で切り替えることを含む、実施形態１３～１７のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態１９］
前記電力システムは、前記標準慣性発電モードで動作する場合は第１の慣性定数を有し、前記高慣性発電モードで動作する場合は第２の慣性定数を有し、前記第２の慣性定数は、前記第１の慣性定数の少なくとも１．２５倍の定数である、実施形態１３～１８のうちのいずれかの実施形態に記載の方法。
［実施形態２０］
電力システムであって、タービンとタービンシャフトとを含むタービンアセンブリ、発電機と発電機シャフトとを含む発電機アセンブリであって、前記発電機シャフトは、第１の端部から、反対側の第２の端部まで延在する、発電機アセンブリ、前記発電機シャフトに結合されるフライホイールを含む慣性アセンブリ、前記タービンシャフトを前記発電機シャフトの第１の端部に結合するように動作可能な第１のクラッチアセンブリ、及び前記フライホイールシャフトを前記発電機シャフトの第２の端部に結合するように動作可能な第２のクラッチアセンブリを含み、前記電力システムは、前記第１のクラッチアセンブリが閉じているときに発電モードで動作可能であり、前記第１のクラッチアセンブリが開いているときに同期調相機モードで動作可能である、電力システム。
【0051】
上記の説明は例示的なものであることのみを意図しており、当業者は、開示された開示範囲から逸脱することなく、記載された実施形態を変更できることを認識する。本開示の範囲内の変更は、本開示を見直すことによって当業者には明らかであり、そのような変更は、特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【0052】
電力システムの例示的な実施形態が詳細に上述されている。本明細書に記載のシステム及び方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、本方法のステップは、本明細書に記載の他のステップとは独立に且つ別々に利用することができる。例えば、本明細書に記載の方法は、本明細書に記載のガスタービンエンジンの構成要素のクリーニングの実施に限定されるものではない。本開示の実施形態は、回転部品による発電を含む任意の用途において、実施及び利用することができる。
【0053】
本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面に示され、他の図面には示されないことがあるが、これは単なる便宜のためである。更に、上記の説明における「一実施形態」への言及は、言及された特徴を組み込む追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。本開示の原理に従って、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて言及する及び／又は特許請求の範囲に記載することができる。
【0054】
本開示は、様々な特定の実施形態の観点から説明されてきたが、当業者は、本開示が、特許請求の範囲及び趣旨の中で変更できることを認識する。
【符号の説明】
【0055】
１００ 電力システム
１０４ タービンアセンブリ
１０６ 発電機アセンブリ
１０８ 慣性アセンブリ
１１４ フライホイール
１１６ 発電機シャフト
１１８ 第１の端部
１２０ クラッチアセンブリ
１２２ 第２の端部
１２４ 第２のクラッチアセンブリ
１２６ 第１の中間軸受
１２８ 励磁リング
１３０ 励磁システム
１３２ タービン
１３４ タービンシャフト
１４２ 駆動モータ
１４４ フライホイール
１４６ フライホイールシャフト
１５０ ロック可能クラッチ
１５２ 回転ギア
１６０ コントローラ
１０４ タービンアセンブリ
１０６ 発電機アセンブリ
１０８ 慣性アセンブリ
１１４ フライホイール
１１６ 発電機シャフト
１１８ 第１の端部
１２０ クラッチアセンブリ
１２２ 第２の端部
１２４ 第２のクラッチアセンブリ
１２６ 第１の中間軸受
１２８ 励磁リング
１３０ 励磁システム
１３２ タービン
１３４ タービンシャフト
１４２ 駆動モータ
１４４ フライホイール
１４６ フライホイールシャフト
１５０ ロック可能クラッチ
１５２ 回転ギア
１６０ コントローラ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【外国語明細書】