特表 2022-552104 ガスタービン発電機における低速を検出するシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-12-15

(54)【発明の名称】ガスタービン発電機における低速を検出するシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/04 20060101AFI20221208BHJP

   H02P 103/20 20150101ALN20221208BHJP

   H02P 101/25 20150101ALN20221208BHJP

【ＦＩ】

H02P9/04 F

H02P103:20

H02P101:25

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022519065

(86)(22)【出願日】2020-10-13

(85)【翻訳文提出日】2022-05-23

(86)【国際出願番号】 US2020055367

(87)【国際公開番号】W WO2021080818

(87)【国際公開日】2021-04-29

(31)【優先権主張番号】16/658,772

(32)【優先日】2019-10-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(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】ロッチャ メルカド、ボリス ヘンリー

(72)【発明者】

【氏名】ソリア オルティス、ホルヘ ファビアン

(72)【発明者】

【氏名】エレーラ、ヘクター ハビエル

(72)【発明者】

【氏名】グエン、ジョン タン

(72)【発明者】

【氏名】トラン、ナム タン

(72)【発明者】

【氏名】トロンブリー、ジョエル キース

(72)【発明者】

【氏名】クリーン、ランドール ジョン

【テーマコード（参考）】

5H590

【Ｆターム（参考）】

5H590CA08

5H590CC02

5H590CC29

5H590CD01

5H590CD03

5H590CE01

5H590DD64

5H590FC12

5H590FC15

5H590FC22

5H590HA02

5H590HA08

5H590HA09

5H590HA27

5H590HA28

5H590JA02

5H590JB02

(57)【要約】

発電システムの制御システムは、シャフトを介してタービンに結合された発電機を含む。制御システムは、命令を記憶するメモリを含む。制御システムはまた、メモリに結合され、命令を実行するように構成されたプロセッサを含む。命令が実行されると、プロセッサは、自動電圧調整器（ＡＶＲ）から直流（ＤＣ）リンク電圧を受け取り、ＡＶＲは、発電機の電圧特性を制御し、ＤＣリンク電圧に基づいて発電機の速度を判定するように構成される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シャフト（１３）を介してタービン（１２、４８）に結合された発電機（１４）を備える発電システム（１０、４０）の制御システムであって、
命令を記憶するメモリ（６８）と、
前記メモリ（６８）に結合され、前記命令を実行するように構成されたプロセッサ（６６）であって、前記命令は、実行されると、前記プロセッサ（６６）に、
前記発電機（１４）の電圧特性を制御するように構成された自動電圧調整器（ＡＶＲ）（５２）から直流（ＤＣ）リンク電圧（７０）を受け取らせ、かつ
前記ＤＣリンク電圧（７０）に基づいて前記発電機（１４）の速度を判定させる、
プロセッサ（６６）と
を備える、制御システム。

【請求項2】

前記プロセッサ（６６）は、前記命令が実行されると、前記発電機（１４）が停止したかどうかを判定するように構成される、請求項１に記載の制御システム。

【請求項3】

前記ＤＣリンク電圧（７０）に基づいて前記発電機（１４）の前記速度を判定することは、前記シャフト（１３）の速度を判定することを含む、請求項１に記載の制御システム。

【請求項4】

前記プロセッサ（６６）は、前記命令が実行されると、数学的モデル（７８）又はルックアップテーブル（８０）を利用して、前記ＤＣリンク電圧（７０）に基づいて前記発電機（１４）の前記速度を判定するように構成される、請求項１に記載の制御システム。

【請求項5】

前記タービン（４８）はガスタービン（４２）を含む、請求項１に記載の制御システム。

【請求項6】

前記ＤＣリンク電圧（７０）は、前記シャフト（１３）に結合された永久磁石発電機（５０）から前記ＡＶＲ（５２）が受け取った電圧の整流電圧を含む、請求項１に記載の制御システム。

【請求項7】

シャフト（１３）を介してタービン（１２、４８）に結合された発電機（１４）を備える発電システム（１０、４０）の制御システムのプロセッサ（６６）によって実行されるように構成された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（６６）に、
前記発電機（１４）の電圧特性を制御するように構成された自動電圧調整器（ＡＶＲ）（５２）から直流（ＤＣ）リンク電圧（７０）を受け取らせ、
前記ＤＣリンク電圧（７０）に基づいて前記発電機（１４）の速度を判定させる
ように構成された命令を含む、非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項8】

前記発電機（１４）が停止したかどうかを前記プロセッサ（６６）に判定させるように構成された命令を含む、請求項７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項9】

前記ＤＣリンク電圧（７０）に基づいて前記発電機（１４）の前記速度を判定することが、前記シャフト（１３）の速度を判定することを含む、請求項７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項10】

前記プロセッサ（６６）に、数学的モデル（７８）又はルックアップテーブル（８０）を利用して、前記ＤＣリンク電圧（７０）に基づいて前記発電機（１４）の前記速度を判定させるように構成された命令を含む、請求項７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項11】

前記タービン（４８）はガスタービン（４２）を含む、請求項７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項12】

前記ＤＣリンク電圧（７０）は、前記シャフト（１３）に結合された永久磁石発電機（５０）から前記ＡＶＲ（５２）が受け取った電圧の整流電圧を含む、請求項７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項13】

タービン（１２、４８）と、
シャフト（１３）を介して前記タービン（１２、４８）に結合された発電機（１４）と、
前記発電機（１４）の電圧特性を制御するように構成された自動電圧調整器（ＡＶＲ）（５２）と、
前記ＡＶＲ（５２）から電圧を受け取り、前記電圧に基づいて前記発電機（１４）の速度を判定するように構成されたコントローラ（３２）と
を備える、発電システム（１０）。

【請求項14】

前記ＡＶＲ（５２）は、直流（ＤＣ）リンク（５８）を介してインバータ（５６）に結合されたダイオード整流器（５４）と、前記ＤＣリンク（５８）に位置するコンデンサ（６０）とを備える、請求項１３に記載の発電システム（１０、４０）。

【請求項15】

前記電圧は、前記ＤＣリンク（５８）からのＤＣリンク電圧（７０）を含む、請求項１４に記載の発電システム（１０、４０）。

【請求項16】

前記シャフト（１３）に結合された永久磁石発電機（５０）を備え、前記ＤＣリンク電圧（７０）は、前記永久磁石発電機（５０）から前記ＡＶＲ（５２）が受け取った電圧の整流電圧を含む、請求項１５に記載の発電システム（４０）。

【請求項17】

前記タービン（４８）がガスタービン（４２）を備え、前記発電機（１４）が同期発電機を備える、請求項１３に記載の発電システム（４０）。

【請求項18】

前記コントローラ（３２）は、前記発電機（１４）が停止したかどうかを判定するように構成される、請求項１３に記載の発電システム（１０、４０）。

【請求項19】

前記コントローラ（３２）は、前記電圧に基づいて前記シャフト（１３）の速度を決定するように構成される、請求項１８に記載の発電システム（１０、４０）。

【請求項20】

前記コントローラ（３２）は、数学的モデル（７８）又はルックアップテーブル（８０）を利用して、前記電圧に基づいて前記発電機（１４）の前記速度を判定するように構成される、請求項１３に記載の発電システム（１０、４０）。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本明細書に開示される主題は、ガスタービン発電機に関し、より詳細には、ガスタービン発電機における低速を検出するためのシステム及び方法に関する。

【0002】

発電機は、送電網に電気を供給して、１つ又は複数の負荷に電力を供給するために頻繁に使用される。発電機は、ガスタービン、蒸気タービン、又は別の原動機などのタービンの動作に基づいて、特定の電圧振幅、位相、及び周波数で動作することができる。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供給することができる。シャフトは、タービンに入る空気及び燃料の量など、タービンの様々な設定に基づいて回転することができる。送電網に電力をエクスポートするために、発電機によって生成された電力は、送電網上の電力と同期するように制御され、回路遮断器は、発電機を送電網に電気的に結合するために閉じられる。すなわち、発電機によって供給される電圧振幅、位相、及び周波数などの発電機によって生成される電力のパラメータは、回路遮断器を閉じる前に、電圧振幅、位相、及び周波数などの送電網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。

【0003】

場合によっては、発電機は運転停止する場合があり、発電機及び／又はタービンの速度を監視して、発電機がいつ停止したかを判定する必要がある。発電機の低速を監視するために追加のハードウェアが必要とされる。例えば、ゼロ速度スイッチ又は速度作動感知スイッチを利用することができる。しかしながら、この追加のハードウェアの利用は、費用対効果が高くない場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１９／０２９６６８０号明細書

【発明の概要】

【0005】

当初に特許請求する主題の範囲に相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求している主題の範囲を限定することを意図しておらず、むしろ、これらの実施形態は、実現性のある本主題の形態の概要を提供することのみを意図している。実際、本主題は、以下に記載する実施形態と同様であってもよいし、異なっていてもよい様々な形態を包含することができる。

【0006】

第１の実施形態では、発電システムの制御システムは、シャフトを介してタービンに結合された発電機を含む。制御システムは、命令を記憶するメモリを含む。制御システムはまた、メモリに結合され、命令を実行するように構成されたプロセッサを含む。命令が実行されると、プロセッサは、自動電圧調整器（ＡＶＲ）から直流（ＤＣ）リンク電圧を受け取り、ＡＶＲは、発電機の電圧特性を制御し、ＤＣリンク電圧に基づいて発電機の速度を判定するように構成される。

【0007】

第２の実施形態では、非一時的コンピュータ可読媒体が、シャフトを介してタービンに結合された発電機を含む発電システムの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た命令を含む。命令には、プロセッサに、発電機の電圧特性を制御するように構成された自動電圧調整器（ＡＶＲ）から直流（ＤＣ）リンク電圧を受け取らせ、ＤＣリンク電圧に基づいて発電機の速度を判定させるように構成された命令が含まれる。

【0008】

第３の実施形態では、発電システムは、タービンと、シャフトを介してタービンに結合された発電機と、自動電圧調整器（ＡＶＲ）とを含む。ＡＶＲは、発電機の電圧特性を制御するように構成される。発電システムは、ＡＶＲから電圧を受け取り、電圧に基づいて発電機の速度を判定するように構成される。

【0009】

本主題のこれらの、並びに他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読解すれば、さらに良好に理解されよう。添付の図面では、すべての図面を通して、類似の符号は類似の部分を表す。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施形態による発電システム（例えば、ＡＣ発電システム）の一実施形態のブロック図である。

【図2】本実施形態による、自動電圧調整器（ＡＶＲ）及びコントローラに結合された発電システム（例えば、ＡＣ発電システム）の一実施形態の概略図である。

【図3】本実施形態による、図１及び図２のタービン－発電機システムの発電機の速度を監視するための方法の一実施形態の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

１つ又は複数の具体的な実施形態が以下に記載される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実装のすべての特徴が本明細書で説明されているわけではない。そのような実際の実施態様の開発においては、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトと同様に、実施態様ごとに異なり得るシステム関連及びビジネス関連の制約条件の遵守など、開発者の特定の目標を達成するために、実施態様ごとに特有の多数の決定を行わなければならないことを、理解すべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、それでもなお本開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な仕事であることを理解されたい。

【0012】

本開示の様々な実施形態の要素を紹介する場合に、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ又は複数存在することを意味するように意図される。「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的なものであり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものである。

【0013】

本開示の実施形態は、発電システムにおいて発電機及び／又は発電機を原動機（例えば、タービン）に結合するシャフトの速度を監視するためのシステム及び方法を提供する。実施形態は、発電機の電圧特性を制御する自動電圧調整器（ＡＶＲ）から電圧（例えば、直流（ＤＣ）リンク電圧）を受け取る制御システムを含む。制御システムは、ＤＣリンク電圧から（例えば、ＤＣリンク電圧から直接）、発電機及び／又はシャフトの速度を判定する。特定の実施形態では、制御システムは、発電機及び／又はシャフトの速度を判定するために、モデルアルゴリズム及び／又はルックアップテーブルを利用してもよい。ＤＣリンク電圧の測定値を利用することで、発電機の低速（例えば、５０回転／分（ＲＰＭ）以下）を監視するための追加のハードウェアの必要性が排除されることによって、これらの低速を監視するための費用効果の高い方法が提供される。

【0014】

上記を念頭に置いて、図１に示す例示的な発電システム１０などの発電システムの一実施形態を説明することが有用である場合がある。発電システム１０は、タービン１２、発電機１４（例えば、同期発電機）、及びエキサイタ１６などの様々なサブシステムを含んでもよい。タービン１２（例えば、ガスタービン、蒸気タービン、水力タービンなど）は、シャフト１３を介して発電機１４に結合されてもよい。発電機１４は、次いで、発電機エキサイタ１６に通信可能に結合されてもよい。エキサイタ１６は、発電機１４の界磁巻線２２に直流（ＤＣ）を供給することができる。特に、エキサイタ１６は、発電機１４の磁場を励磁するためのＤＣ磁場電流（例えば、動作のための磁場を確立するために発電機１４の界磁巻線２２及び／又は他の同期機械によって利用される電流）を供給することができる。例えば、エキサイタ１６は、静的（例えば、パワーエレクトロニクス）エキサイタ又は回転（例えば、ブラシ及び／又はブラシレス）エキサイタであってもよい。他の実施形態では、エキサイタ１６はバイパスされてもよく、電力出力は発電機１４の界磁巻線２２を直接励磁してもよい。また図示するように、発電機１４の出力端子は、交流（ＡＣ）線２８を介して大規模商用送電網２６に結合されてもよい。あるいは、発電機１４の出力端子は、小型の産業用発電プラントに結合されてもよい。

【0015】

発電システム１０はまた、励磁システム２４を含んでもよく、励磁システム２４は、例えば、励磁システム２４への１つ又は複数の入力で受け取った測定パラメータ及び／又は測定パラメータの表示に基づいて、発電機１４及び／又はエキサイタ１６の各々に様々な制御パラメータを提供してもよい。以下により詳細に説明するように、これらの入力のうちの１つは、シャフト１３に結合されたブラシレス永久磁石発電機（ＰＭＧ）によって生成された電圧であってもよい。特定の実施形態では、励磁システム２４は、発電機１４及びエキサイタ１６の励磁制御部として機能してもよい。励磁システム２４は、１つ又は複数のコントローラ３２及び１つ又は複数の電力変換器３４を含んでもよい。電力変換器３４は、例えば送電網２６などの電源から交流（ＡＣ）電力、ＤＣ電力、又はそれらの組み合わせを受け取る、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの統合パワーエレクトロニクス切替装置のサブシステムを含んでもよい。以下により詳細に説明するように、電力変換器３４は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）を含んでもよい。励磁システム２４は、バス２９を介してこの電力を受け取ることができ、それに基づいてエキサイタ１６の界磁巻線３０に電力、制御、及び監視を提供することができる。したがって、励磁システム２４及びエキサイタ１６は、所望の出力（例えば、グリッド電圧、力率、負荷周波数、トルク、速度、加速度など）に従って発電機１４を駆動するために集合的に動作してもよい。一例として、一実施形態では、励磁システム２４は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社から入手可能なＥＸ２１００ｅ（商標）レギュレータなどの励磁コントローラシステムであってもよい。以下により詳細に説明するように、ＡＶＲから測定されたＤＣリンク電圧を利用して、発電機１４及び／又はシャフト１３の低速（例えば、５０ＲＰＭ以下）を監視及び判定することができる。

【0016】

ここで図２を参照すると、図は、別の発電システム４０（例えば、電力同期システム）を示す。全体として、発電システム４０は、図１で説明した通りである。タービン１２は、圧縮機４４と、燃焼器４６と、タービン４８とを有するガスタービン４２を含む。ガスタービン４２は、圧縮機４４によって圧縮された空気を受け取ることができる。圧縮空気は燃料と混合され、混合気は燃焼器４６で燃焼される。空気と燃料との燃焼混合物を使用して、タービン４８の１つ又は複数のブレードを回転させることができる。タービン４８のロータは、発電機１４に回転エネルギーを供給するためにシャフト１３に結合されてもよい。

【0017】

さらに、発電システム４０はまた、シャフト１３に結合されたブラシレスＰＭＧ５０を含む。ＰＭＧ５０は、発電システム４０のエキサイタ磁場の電源として機能する。さらに、発電システム４０は、ＡＶＲ５２（例えば、図１の励磁システム２４の電力変換器３４の一例）を備える。ＡＶＲ５２は、発電機１４の電圧特性を制御する。具体的には、ＡＶＲ５２は、発電機励磁電圧を（例えば、エキサイタ磁場のコイルに印加される電圧を介して発電機１４の磁場を制御することによって）変更する。ＡＶＲ５２は、ＤＣリンク５８を介してインバータ５６に結合されたダイオード整流器５４を含む。ＤＣリンク５８は、インバータ５６に印加される電圧を低減及び平滑化するためのコンデンサ６０を含む。ＡＶＲ５２は、ＰＭＧ５０から出力６２（例えば、電圧）を受け取る。ＡＶＲ５２は、ＰＭＧ５０からの電圧を整流し（すなわち、ＡＣからＤＣに変換し）、電圧６４を出力してエキサイタ１６のエキサイタ磁場を制御し、次いで発電機ステータ内の電圧を制御する。

【0018】

全体的に図示するように、コントローラ３２は、本明細書に記載の技法を実装するのに有用なオペレーティングシステム、ソフトウェアアプリケーション、及びシステムなどをサポートするために集合的に使用され得る、１つ又は複数のプロセッサ６６及びメモリ６８を含んでもよい。特に、コントローラ３２は、非一時的機械可読媒体（例えば、メモリ６８及び／又は他の記憶装置）に記憶され、例えば、コントローラ３２に含まれ得る１つ又は複数のプロセッサ６６によって実行されるコード又は命令を含んでもよい。プロセッサ６６は、ＤＣリンク５８から測定された電圧７０（例えば、ＤＣリンク電圧）を受け取ることができる。プロセッサ６６はまた、ＤＣリンク電圧を利用して、シャフト１３及び／又は発電機１４の速度を判定することができる。ＰＭＧ５０から来る電圧６２は、発電機１４の動作周波数、したがってシャフト１３の速度に応じて変化する。この関係から、発電機１４の速度を判定することができる。例えば、特定の実施形態では、プロセッサ６６は、アルゴリズムモデル又はルックアップテーブル（例えば、メモリ６８に記憶されたもの）を利用して、ＤＣリンク電圧７０からシャフト１３及び／又は発電機１４の動作速度を導出することができる。特定の実施形態では、プロセッサ６６は、ＤＣリンク電圧７０に基づいて発電機１４がいつ停止したかを判定することができる。

【0019】

図３は、図１及び図２のタービン－発電機システムの発電機の速度を監視するための方法７２の一実施形態の流れ図である。方法７２は、上述のコントローラ３２によって実行されてもよい。方法７２の１つ又は複数のステップは、同時に及び／又は異なる順序で実行されてもよい。方法７２は、ＡＶＲのＤＣリンクから直接測定された電圧（例えば、ＤＣリンク電圧）を受け取るステップ（ブロック７４）を含み、電圧は、ＡＶＲがＰＭＧから受け取った電圧の整流電圧である。方法７２はまた、ＤＣリンク電圧に基づいてタービン発電機システムのシャフト及び／又は発電機の速度を判定するステップ（ブロック７６）を含む。５０ＲＰＭ以下の速度を検出することができる。例えば、ＤＣリンク電圧と発電機の動作周波数との間の関係を考慮するモデル７８又はルックアップテーブル８０を利用して、シャフト及び／又は発電機の速度を判定することができる。方法７２は、シャフト及び／又は発電機の速度（例えば、ＲＰＭ）がゼロであるかどうかを判定するステップ（ブロック８２）をさらに含む。速度がゼロである場合、方法７２は、発電機が停止したと判定するステップ（ブロック８４）を含む。速度がゼロでない場合、方法７２は、測定されたＤＣリンク電圧を受け取り続けるステップ（ブロック７４）と、シャフト及び／又は発電機の速度を判定するステップ（ブロック７６）とを含む。

【0020】

開示された実施形態の技術的効果は、タービン発電機システム内のシャフト及び／又は発電機の低速（例えば、５０ＲＰＭ以下）を検出及び監視するためのシステム及び方法を提供することを含む。特に、ＡＶＲから直接測定されたＤＣリンク電圧を利用して、追加のハードウェアを必要とせずにシャフト及び／又は発電機の速度を判定することができる。

【0021】

本明細書は、開示される主題を最良の態様を含めて開示すると共に、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実施を含む開示される主題の実践を当業者にとって可能にするために、実施例を使用している。開示される主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない同等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であるものとする。

【符号の説明】

【0022】

１０ 発電システム
１２ タービン
１３ シャフト
１４ 発電機
１６ 発電機エキサイタ
２２ 界磁巻線
２４ 励磁システム
２６ 大規模商用送電網
２９ バス
３０ 界磁巻線
３２ コントローラ
３４ 電力変換器
４０ 発電システム
４２ ガスタービン
４４ 圧縮機
４６ 燃焼器
４８ タービン
５０ 永久磁石発電機（ＰＭＧ）、ブラシレスＰＭＧ
５２ 自動電圧調整器（ＡＶＲ）
５４ ダイオード整流器
５６ インバータ
５８ ＤＣリンク
６０ コンデンサ
６２ 電圧、出力
６４ 電圧
６６ プロセッサ
６８ メモリ
７０ ＤＣリンク電圧
７２ 方法
７８ モデル
８０ ルックアップテーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】