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JP2000134994A - 多タ―ボ発電機のための命令および制御システムならびに方法 - Google Patents

多タ―ボ発電機のための命令および制御システムならびに方法

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Publication number
JP2000134994A
JP2000134994A JP11305375A JP30537599A JP2000134994A JP 2000134994 A JP2000134994 A JP 2000134994A JP 11305375 A JP11305375 A JP 11305375A JP 30537599 A JP30537599 A JP 30537599A JP 2000134994 A JP2000134994 A JP 2000134994A
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JP
Japan
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command
control system
power
turbo
control
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP11305375A
Other languages
English (en)
Inventor
C Edelman Edward
シー．エーデルマン エドワード
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Capstone Green Energy Corp
Original Assignee
Capstone Turbine Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Capstone Turbine Corp filed Critical Capstone Turbine Corp
Publication of JP2000134994A publication Critical patent/JP2000134994A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 総合的な運転効率を最適化でき、多ターボ発
電機システムにおける各ターボ発電機について電力需要
に見合うように運転できる多ターボ発電機のための命令
および制御システムならびに方法を提供する。 【解決手段】 送配電系統並列システム６９における多
ターボ発電機８０〜８４のための命令および制御システ
ムであり、個々のターボ発電機８０〜８４の始動、継
続、出力命令の調整、および障害対策を行う主制御器８
７と、詳細な制御モードとを含んでいる。双方向電力計
８６は、ビルまたは使用場所における負荷消費量（また
は、ターボ発電機システムが設置された時には、電力）
を計測する。この電力計８６は、主制御器８７にそれが
個々のターボ発電機８０〜８４を制御するための基準ま
たは設定値を供給可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ発電機の制
御全般に関し、特に、送配電系統並列システムにおける
多ターボ発電機のための命令および制御システムならび
に方法に関する。
【０００２】
【従来の技術ならびに発明が解決しようとする課題】タ
ーボ発電機／原動機は、商業的および工業的用途といっ
た広範囲な用途に対して電力を供給する目的に用いられ
得る。単体のターボ発電機／原動機は２４〜５０キロワ
ットしか発電しないが、商業的および工業的用途の多く
は、その単体から得られるよりも大きな電力を必要とす
る。多数のターボ発電機／原動機を連結させることによ
って、５００キロワットまでもしくはそれ以上の発電設
備を実現することができる。その場合、多ターボ発電機
は、総電力（負荷に追従して）または部分電力（ピーク
値の一部負担、または、ベース負荷に相当する）を供給
するよう制御および運転され得る。
【０００３】互いに連結された多ターボ発電機／原動機
（通常、マルチ−パック（Multi-Pac）と呼ばれる）を
運転するための主な２つの方法として、ターボ発電機が
商業または工業的用途に対して総電力を供給する独立シ
ステムと、マルチ−パックが公共送配電系統の電力に同
期すると共に、この送配電系統の電力に補充する送配電
系統並列システムとがある。本発明は、送配電系統並列
システムに関するものである。
【０００４】送配電系統並列システムの場合、ターボ発
電機の動作を支配する使用制限や可変レート計画があ
る。ターボ発電機の経済的実行性を最大限にするため
に、このシステムは、特定の用途およびレート計画に依
存して以下の制御モード（１）〜（３）で運転可能であ
る。
【０００５】（１）負荷追従：ビル（建造物）等の使用
場所における総消費電力量を電力計により計測して、タ
ーボ発電機システムをその需要に合わせる。
【０００６】（２）ピーク値の一部負担：ビル等の使用
場所における総消費電力量を電力計により計測し、ター
ボ発電機システムによって公共電力消費量を固定負荷値
に減じ、これにより、公共レート計画を減少させると共
に、ターボ発電機の総合的な経済的見返りを上昇させ
る。
【０００７】（３）ベース負荷：ターボ発電機システム
が固定値を供給すると共に、ビルまたは使用場所におけ
る負荷を公共電力で補充する。
【０００８】これら制御モードのそれぞれは、総合的な
運転効率を最適化するために種々の制御方策を要する
が、これら制御方法の全ては本発明にて言及されてい
る。
【０００９】多ターボ発電機システムの制御時、個別の
ターボ発電機それぞれについて、始動し、継続し、電力
命令を調整し、さらに故障処理するための主制御器が必
要とされる。本発明は、この主制御器のための特別の制
御モードを明らかにする。
【００１０】多くの用途において、ビルまたは使用場所
における負荷消費量（またはターボ発電機システムが設
置された時には発生量）を計測する電力計が必要とされ
る。この電力計は、主制御器が個々のターボ発電機を制
御するための基準値または設定値を与える。ビルまたは
使用場所が電力を要求していた場合には、主制御器は、
その需要に見合うように（ピーク値の一部負担場合に
は、ユーザが規定した設定値に見合うように）、適当な
台数のターボ発電機を運転する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】それ故、本発明の第1の
態様は、多ターボ発電機およびこれらに結合した複数の
インバータの動作を制御するためのシステムおよび方法
を提供することである。
【００１２】本発明の他の態様は、多ターボ発電機の個
々の燃焼室への燃料の流通を制御するための制御システ
ムおよび制御方法を提供することである。
【００１３】本発明の他の態様は、多ターボ発電機の個
々の燃焼室における燃焼工程の温度と、この結果として
タービン吸入口および排出口の温度を制御するための制
御システムおよび制御方法を提供することである。
【００１４】本発明の他の態様は、遠心圧縮機のホイー
ル、タービンのホイール、原動機／発電機、およびベア
リングを搭載した多ターボ発電機の個々のロータの回転
速度を制御するための制御システムおよび制御方法を提
供することである。
【００１５】本発明の他の態様は、多ターボ発電機の個
々の出力ヘッド（共通シャフト上のベアリングによって
搭載および支持されたタービンおよび圧縮機ホイール）
が発生し、ターボ発電機の原動機／発電機へ供給される
トルクを制御するための制御システムおよび制御方法を
提供することである。
【００１６】本発明の他の態様は、多ターボ発電機の個
々の原動機／発電機が発生するシャフト出力を制御する
ための制御システムおよび制御方法を提供することであ
る。
【００１７】本発明の他の態様は、低周波三相電力を発
生するためにターボ発電機制御器の直流電流バスからの
電力を用いる低周波インバータの動作を制御するための
制御システムおよび制御方法を提供することである。
【００１８】本発明の他の態様は、２台以上のターボ発
電機を１つのシステムとしてその動作を制御するための
主制御システムを提供することである。
【００１９】本発明の他の態様は、１つのシステムにお
ける２台以上のターボ発電機の総合効率を最大限にする
ための主制御システムを提供することである。
【００２０】本発明の他の態様は、複数の動作モード
（即ち、負荷追従、ピークの一部負担、およびベース負
荷）を提供し、ターボ発電機システムの経済的投資回収
を最適化するための主制御システムを提供することであ
る。
【００２１】本発明の他の態様は、履歴バンド、レート
制限、および設定値統合によって、個々のターボ発電機
ユニットの繰り返し始動および停止を防止する主制御シ
ステムを提供することである。
【００２２】本発明の他の態様は、レート制限および設
定値統合によって、個々のターボ発電機ユニットの電力
変動を減少した主制御システムを提供することである。
【００２３】本発明の他の態様は、あるターボ発電機の
故障に対してマルチ−パックにおける他のターボ発電機
を充てることによって故障に対して耐性のあるシステム
を提供するための主制御システムを提供することであ
る。
【００２４】本発明の他の態様は、故障カウンタを備
え、故障したターボ発電機システムの誤始動を制限する
主制御システムを提供することである。
【００２５】本発明の他の態様は、マルチ−パックにお
ける各ターボ発電機の稼働時間を調和させ、これによっ
て全体の合計の寿命を延ばす主制御システムを提供する
ことである。
【００２６】本発明の他の態様は、ターボ発電機をアイ
ドル状態またはスタンバイ状態で運転することで過渡応
答を最適化する主制御システムを提供することである。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して説
明する。
【００２８】永久磁石型ターボ発電機／原動機１０を、
本発明の制御器を適用したターボ発電機／原動機の例と
して、図１に示す。永久磁石型ターボ発電機１２は、一
般に、永久磁石発電機１２、出力ヘッド１３、燃焼器１
４、および復熱装置（即ち、熱交換器）１５を有してい
る。
【００２９】永久磁石発電機１２は、永久磁石を内部に
備えた永久磁石ロータまたはスリーブ１６を有し、これ
は、一対の離間したジャーナルベアリングにより永久磁
石ステータ１８内部に回転可能に支持されている。放射
状（半径方向）永久磁石ステータ冷却フィン２５が外側
円筒スリーブ２７内に収容され、環状空気流通路を構成
している。この空気流通路は、永久磁石ステータ１８を
冷却し、これにより、出力ヘッド１３に向かう途中で通
過する空気を予熱する。
【００３０】永久磁石ターボ発電機／原動機１０の出力
ヘッド１３は、圧縮機３０、タービン３１、およびベア
リングロータ３６を有し、このベアリングロータ３６に
は、タイロッド２９が通過している。圧縮機３０は、永
久磁石ステータ１８の周りの円筒スリーブ２７内の環状
空気流通路から予熱された空気を受ける圧縮機インペラ
またはホイール３２を備え、タービン３１により駆動さ
れる。このタービン３１は、復熱器１５から予熱された
空気を供給される燃焼器１４からの加熱された排出ガス
を受けるタービンホイール３３を有している。圧縮機ホ
イール３２およびタービンホイール３３は、放射状に延
在するベアリングロータスラストディスク３７を備える
ベアリングシャフトまたはロータ３６上に支持されてい
る。ベアリングロータ３６は、中央ベアリングハウジン
グ内の一つのジャーナルベアリングにより回転可能に支
持され、ベアリングロータ３６の圧縮機端のベアリング
ロータスラストディスク３７は、双方向（bilateral）
スラストベアリングにより回転可能に支持されている。
ベアリングロータスラストディスク３７は、中央ベアリ
ングハウジングの圧縮機端のスラスト面に隣接してお
り、このスラスト面に関してベアリングロータスラスト
ディスク３７の反対面にベアリングスラストプレートが
配置されている。
【００３１】取入空気は、圧縮機３０により永久磁石発
電機１２を介して吸引され、圧縮機３０は空気の圧力を
増加させ、復熱器１５内に空気を送り込む。復熱器１５
において、タービン３１からの排出熱は、燃焼器１４に
空気が入り込む前に空気を予熱するために用いられ、燃
焼器１４では、予熱された空気を燃料と混合して燃焼さ
せる。燃焼ガスは、次いで、タービン３１内で膨張さ
れ、タービン３１により、圧縮機３０ならびにタービン
３１と同軸上に搭載されている永久磁石発電機１２の永
久磁石ロータ１６を駆動する。膨張させたタービン排出
ガスは、次いで、ターボ発電機／原動機１０から排出さ
れる前に復熱器１５を通過させられる。
【００３２】独立システム動作のための発電機制御器４
０と永久磁石ターボ発電機／原動機１０との間のインタ
ーフェースの機能的ブロック図を、図２に示す。発電機
制御器４０は、出力ヘッド１３のタービン３１を始動さ
せる原動機としての永久磁石発電機１２を動作する公共
電力のような電源から電力４１を受ける。始動シーケン
ス中は、公共電力４１が整流されると共に、制御された
周波数入力が永久磁石発電機１２に供給され、永久磁石
発電機１２は永久磁石ロータ１６、圧縮機ホイール３
２、ベアリングロータ３６、およびタービンホイール３
３を加速する。この加速は、空気ベアリングのためのエ
アクッションをまた燃焼工程のための空気流を供給す
る。およそ１２０００回転／分（rpm）で、点火および
燃料が供給されると共に、発電機制御器４０はターボ発
電機１０の始動継続が完了するおよそ４００００回転／
分までの加速を補助する。燃料制御バルブ４４もまた、
発電機制御器４０によって、調整される。
【００３３】自己持続動作に到達すると、発電機制御器
４０は、高速永久磁石ターボ発電機１０の整流された高
周波数交流電力から６０Ｈｚの三相交流（２０８ボル
ト）４２を生成するために再形成される。永久磁石ター
ボ発電機１０は、設定電力になるように命令され、所望
の出力電力の関数として速度が変化する。送配電系統並
列接続用のためには、出力電力４２が入力４１に接続さ
れ、そして、これら端子が単一の送配電系統接続とな
る。
【００３４】発電機制御器４０内部の機能的ブロック図
を、図３に示す。発電機制御器４０は、始動電源接触器
４６、整流器４７、直流バス容量器４８、パルス幅変調
（PWM）インバータ４９、交流出力濾波器５１、出力接
触器５２、発電機接触器５３、および永久磁石発電機１
２を直列に備えている。発電機整流器５４は、整流器４
７とバス容量器４８との間から発電機接触器５３と永久
磁石発電機１２との間に接続している。交流出力電力４
２は出力接触器５２から取り出され、一方、ゼロ電位
（neutral）は、交流濾波器５１から取り出される。
【００３５】制御論理セクションは、制御電源５６、制
御論理回路５７、および集積ゲートバイポーラトランジ
スタ（IGBT）ゲート駆動器５８として図示された半導体
スイッチゲート駆動器から成っている。ただし、半導体
スイッチゲート駆動器は、他の高速半導体スイッチング
装置であってもよい。制御論理回路５７が温度信号６４
および電流信号６５を受ける一方、ＩＧＢＴゲート駆動
器５８は電圧信号６６を受ける。制御論理回路５７は、
燃料遮断電磁弁６２、燃料制御弁４４、イグナイタ６
０、および逃し弁６１に、それぞれ制御信号を送出す
る。交流電力４１は、始動電源接触器４６と、場合によ
っては発電機制御器４０の制御論理セクションにおいて
破線で図示したように、直接に制御電源５６に供給され
る。
【００３６】ユーティリティ始動電力４１（例えば、交
流２０８ボルト、三相、６０Ｈｚ）は、フューズ（図示
せず）を介して始動電源接触器４６に接続される。始動
電源接触器４６は、第１の常時開リレーおよび第２の常
時閉リレーから成っており、両方共に始動時には非動作
状態にある。あるいは、両リレーが常時開であってもよ
く、制御電源５６がユーティリティ始動電力４１から入
力を直接受けるようにしてもよい。防火電源抵抗器をリ
レーに並列に設け、公共電源から直接課題電流が急激に
流入することを避け、減少した電流（最大約１０アンペ
ア）を、整流器４７を通して直流バス容量器４８へ供給
して、これをゆっくり充電することができる。
【００３７】直流バス容量器４８が十分に（直流約１８
０ボルトまたは公称値の８０％にまで）充電されると、
制御電源５６は、低電圧論理レベルを制御論理回路５７
に出力する。制御論理マイクロプロセッサが自己テスト
を完了すると、始動電源接触器４６の第1の常開リレー
にコイル電流が供給され、直流バス容量器４８がピーク
電圧まで十分に充電される。バス容量機４８には、高周
波除のために、フィルム(ドライ)コンデンサを付加する
ことができる。
【００３８】ＰＷＭインバータ４９は、２つの基本モー
ド、即ち、始動または発電機接触器５２が閉じていると
きの始動または冷却のために可変電圧（線−線間０〜１
９０ボルト）かつ一Ｈｚ当たり一定電圧の可変周波数
（０〜７００Ｈｚ）で永久磁石発電機／原動機１２を駆
動する三相モードか、あるいは、一定電圧（一位相当た
りのゼロ電位−線間１２０ボルト）かつ可変周波数（０
〜７００Ｈｚ）の三相６０Ｈｚモードで、動作する。タ
ービン発電機が始動シーケンスを完了するスピードに上
昇されるにつれて、制御論理回路５７およびＩＧＢＴゲ
ートドライブはそれぞれ、電流信号６５および電圧信号
６６経由でフィードバックを受ける。そして、ＰＷＭイ
ンバータ４９は、電圧源として、または、送配電系統接
続のための電流源として６０Ｈｚを出力すべく再設定さ
れる。
【００３９】発電機接触器５３は、始動継続中に、永久
磁石発電機１２をインバータ４９に接続する。初期始動
電流は、およそ２秒間公称動作電流に近づき、この後
に、加速期間の均衡のためにより低い値に低下する。始
動継続が完了した後には、発電機１２は、発電機整流器
５４の出力端子にインバータ４９から三相調整出力電力
を供給するように十分な出力電圧を出力する。これによ
り、始動接触器４６および発電機接触器は開かれ、そし
て、本システムは自己持続する。
【００４０】永久磁石ターボ発電機／原動機の始動中
に、始動電源接触器４６および発電機接触器５３の両方
は閉じられ、出力接触器５２は開かれる。自己持続動作
が達成されると、始動電源接触器４６および発電機接触
器５３は開かれ、ＰＷＭインバータ４９は被制御６０Ｈ
ｚモードに再設定される。ＰＷＭインバータ４９の再設
定後には、出力接触器５２は、交流出力４２に接続すべ
く、閉じられる。始動電源接触器４６および発電機接触
器５３は、この先、開状態のまま維持される。
【００４１】ＰＷＭインバータ４９は、実際上、永久磁
石ターボ発電機／原動機１０の始動と、永久磁石ターボ
発電機／原動機の出力電力を独立システム用のための６
０Ｈｚ三相もしくは電流源装置としての実用電力に変換
することとの両方に用いられる二機能インバータであ
る。始動電源接触器４６が閉じられると、単相または三
相公共電力が動作可能な始動電源接触器４６を通してブ
リッジ整流器４７中に与えられ、ＰＷＭインバータ４９
に連動した始動電圧バス容量器４８に予備充電電力した
がって開始電圧を供給する。これにより、ＰＷＭインバ
ータ４９は、永久磁石多ターボ発電機／原動機１０をガ
スタービン３１の始動に十分な速度にまで加速させるた
めの従来の可変速駆動モータースタータとしての機能を
なす。
【００４２】永久磁石ターボ発電機／原動機１０の出力
から動作する付加整流器５４は、最高速１６００Ｈｚの
永久磁石発電機／原動機１２から３８０ボルト以下の三
相交流電圧を受け取る。付加整流器５４は、高速回復整
流ブリッジとして分類される。既知のブリッジ形態に配
列された６個のダイオード素子は、直流出力を与える高
周波整流器５４を有している。整流された電圧は、無負
荷下で５５０ボルトと同程度である。
【００４３】永久磁石ターボ発電機／原動機１０は、基
本的に、ゼロ周波数で始動し、およそ１２０００ＲＰＭ
にまで加速される。これが２極永久磁石ターボ発電機／
原動機１２であると、９６０００ＲＰＭは１６００Ｈｚ
である。そして、１２０００ＲＰＭは、その１／８即ち
２００Ｈｚである。永久磁石ターボ発電機／原動機１０
は、１Ｈｚの上昇当たり一定の電圧でで動作される。換
言すれば、出力端子に生ずる電圧は、最高速下で出力端
子に生ずる電圧の１／８である。
【００４４】およその最高速電圧は、線−線間電圧３８
０ボルトであるので、その１／８といえる。ＰＷＭイン
バータ４９が永久磁石ターボ発電機／原動機１０を加速
した時に、燃料電磁弁６２、燃料制御弁４４、およびイ
グナイタ６０は、協働して燃焼工程の開始を許す。ＰＷ
Ｍインバータ４９が可変速駆動部機能を再び発揮するこ
とにより、永久磁石ターボ発電機／原動機１０は、約３
５０００または４００００ＲＰＭにまで加速され、この
ような速度下で、ガスタービン３１は、自己持続動作が
可能である。
【００４５】ＰＷＭインバータ４９の最初の停止によ
り、公共送配電系統に対して同期した電流源として動作
可能なＰＷＭインバータの再設定が遂行される。交流出
力電力または送配電系統接続点は、ＰＷＭインバータ４
９を同期状態にもたらすために、別の論理モニタセット
でモニタされる。発電機接触器５３は、ＰＷＭインバー
タ４９が始動動作および冷却停止動作中の永久磁石ター
ボ発電機／原動機１０に電力を供給する必要がある時の
み、閉じて接続すべく機能する。出力接触器５２は、Ｐ
ＷＭインバータ４９が送配電系統の電圧に同期した直後
にＰＷＭインバータ４９を送配電系統に接続できるだけ
である。
【００４６】制御電源５６は、まず、その電圧を２４ボ
ルトに調整された領域に低下させてバッテリまたは他の
制御電源装置とのインターフェースとなり得るように設
計されている。制御電源５６は、ＩＧＢＴゲート装置５
８と制御論理回路５７との両方に通常の論理電圧を供給
する。ＩＧＢＴゲート装置は、２つの独立したＩＧＢＴ
ゲート装置のそれぞれに電源を供給するために、２つの
絶縁された低電圧源を持っている。ＩＧＢＴトランジス
タへのインターフェースは、商品としてパッケージされ
ている素子を経由する。
【００４７】本システムはまた、直接に４８０ボルトの
出力を発電することが可能である。永久磁石発電機／原
動機１２における巻線、ＩＧＢＴの耐電圧、およびバス
容量器４８を再設定、交換するによって、本システム
は、直接４８０ボルトでの動作、４８０ボルトの送配電
系統による始動、さらにトランスを必要とすることなく
４８０ボルトの直接の供給が可能である。
【００４８】本ターボ発電機／原動機制御システムのさ
らなる説明は、Everett R. Geis and Brain Wによって"
Turbogenerator/Motor Contraller"という発明の名称で
1999年9月8日に出願され、同譲受人に譲渡された米国特
許出願第924966号を参照されたい。
【００４９】図４は、マルチ−パック６９の典型的な設
置例を示している。共通接続箱７０は、マルチ−パック
を、切断スイッチ７２を介して公共送配電形系統７１
と、またビル負荷７３と接続する。リレー７５を備えた
時限防御器７４は、共通接続箱７０に接続されていると
共に、容量器７７を介してシステムバス７６にも接続さ
れている。この構成により、マルチ−パックが公共送配
電系統に所定時間送電した場合に、マルチ−パックとユ
ーティリティとの間は、時限的に切断される。デジタル
電力計８６は、リレー７５と容量器７７との間に接続さ
れている。
【００５０】個々のターボ発電機出力制御器／インバー
タ８０、８１、８２、８３、および８４は、それぞれ接
触器９０、９１、９２、９３、および９４を介して、シ
ステムバス７６に直接接続され、送配電系統の周波数お
よび電圧を基準として用いている。接触器８５は、ター
ボ発電機出力制御器／インバータ８０、８１、８２、８
３、および８４システムの残りの部分から切断する機能
をなす。主制御器８７は、ターボ発電機出力制御器／イ
ンバータ８０、８１、８２、８３、および８４のそれぞ
れと、また、デジタル電力計８６とデジタル的に情報を
送受する。
【００５１】合計５基の個々のターボ発電機出力制御器
／インバータ８０、８１、８２、８３、および８４は、
図示説明の便宜上、示したものである。ターボ発電機出
力制御器／インバータ８０は第１のターボ発電機であ
り、ターボ発電機出力制御器／インバータ８１は第２の
ターボ発電機であり、ターボ発電機出力制御器／インバ
ータ８２は第３のターボ発電機であり、ターボ発電機出
力制御器／インバータ８３は第４のターボ発電機であ
り、そして、ターボ発電機出力制御器／インバータ８４
は第ｎのターボ発電機であるとする。ここで、ｎは、全
数である５以下のいずれかの自然数もしくは５よりも大
きい数である。
【００５２】図５、６、および７はそれぞれ、送配電系
統並列型マルチ−パックシステムのための３つの主な制
御モード、即ち、負荷追従制御モード、ベース負荷即ち
ピーク値の一部負担制御モード、およびベース負荷制御
モードのブロック図である。
【００５３】図５に示した公共電力による負荷追従制御
モードにおいて、公共電力消費量信号１００とターボ発
電機発生信号１０１とは、合算器または比較器１０２に
おいて比較され、差またはエラー信号１０３を出力し、
デジタル電力計８６によって計測される。このエラー信
号１０３は、積分リセットタイマ信号１０５が入力され
るゲイン乗算器１０４においてユーザによって定義され
た所定の時間に亘って積算される。この積算エラー信号
は、ユーザ定義時間に亘る総公共電力消費量が無効にな
ることを保証する。ゲイン乗算器１０４は、電力要求信
号１０６を出力する。電力要求信号１０６は、レートお
よび限定された権限を示しものであり、制御論理システ
ム１０７を介してマルチ−パック６９に供給される。
【００５４】図６に示した公共電力のベース負荷あるい
はピーク値の一部負担制御モードにおいて、デジタル電
力計８６からのエラー信号１０３信号は、比較器１１１
において公共オフセット信号１１０と比較される。比較
器１１１からはエラー信号１１２が出力され、ゲイン乗
算器１０４に入力される。ベース負荷またはピークの一
部負担モードは、その他の全ての点について図５に示し
た負荷追従モードと同様である。
【００５５】図７に示したベース負荷制御モードの動作
時には、総合ターボ発電機出力電力１０１は、電力計１
１９で計測され、比較器１２２におけるベース負荷要求
１２０との比較に用いる信号１１８を生成する。比較器
１２２からのエラー信号１２３は、ゲイン乗算器１０４
においてユーザによって定義された所定の時間に亘って
積算され、ターボ発電機システムの応答レートを識別す
る。
【００５６】全モードにおいて、継続および制御論理シ
ステム１０７は、個々のターボ発電機のそれぞれの始
動、停止、および負荷を決定する。継続および制御論理
システム１０７は、個々のターボ発電機への電力需要を
調整する比例積分制御（proportional-plus-integrated
control）回路を備えている。この論理回路は、ターボ
発電機の有用性、故障状態、出力能、総合的システム効
率、始動／停止不感帯、レートおよび権利限に基づいて
いる。
【００５７】始動継続を最適化するために、主制御器８
７は、過去の稼働サイクルおよび環境の状態から予想さ
れる運用予定に基づいて始動させるべきターボ発電機の
台数を同定する。始動命令は、各稼働時間の分担が平均
するように、各ターボ発電機の総稼働時間に基づいてい
る。そして、稼働時間が最短のターボ発電機が最初に稼
動し、稼働時間が最長のターボ発電機が最初に停止す
る。公共送配電系統並列型のターボ発電機は、その始
動、発動、および停止に、公共電力を使用する。マルチ
−パック用として、各ターボ発電機の始動は、総電力引
き出し要求ならびに与えられた時間における燃料供給量
を最少化すべく、時間差をつけられる。組み込みサイズ
（ターボ発電機の台数）および設置方法に基づいて、各
ターボ発電機の始動を、公共電力需要、バッテリ消費
量、あるいは燃料供給量を最少化すべく、プログラムす
ることが可能である。信頼性を改善するために、故障停
止の場合、エンジンの再始動は、自動的になされる。こ
のようにして、仮に、あるターボ発電機システムが故障
したとしても、他のターボ発電機が始動して、電力要求
に間に合わせることができる。故障したターボ発電機シ
ステムの再始動を防止するために、負荷サイクル当たり
の始動回数の最大数をプログラムすることが可能であ
る。
【００５８】始動継続中には、始動の可能性も考慮に入
れられる。ターボ発電機のためにはおよそ１５分の冷却
期間が必要であるが、冷却が十分にされたならば直ぐ
に、ターボ発電機は再始動可能である。
【００５９】負荷追従用途のために、負荷は絶え間なく
変動するので、個々のターボ発電機には、始動および停
止が要求される。例えば、一時間当たりに数回始動およ
び停止し得る空調ユニットは、ビルにおける単一の大口
電力消費側となり得るので、ターボ発電機の始動および
停止サイクルが過剰な状態になる。このサイクルを減少
させると共に全体の動作効率を高めるために、電力履歴
バンド、レート限、および時間積分された設定点を含む
制御策が、主制御システムに組み込まれる。
【００６０】ターボ発電機は、あらゆる負荷状態に亘っ
て、また出力インバータに起因するあらゆる原動機速度
に亘って、ピーク効率またはその付近で動作するように
設計されているため、各ターボ発電機の負荷電力は、マ
ルチ−パックの効率を最大限にするために、主制御器に
よって調整される。過渡的負荷成分が突然負荷を上昇さ
せた時には、ターボ発電機は、電力需要設定点を維持す
るように、迅速に出力を増加させる。
【００６１】あるいは、最後に始動したターボ発電機を
除く全てのターボ発電機は、最大出力で動作可能であ
る。最後に始動したターボ発電機は、電力需要設定点を
維持するために調整された出力を持つ。しかし、注意を
払うべきことは、このターボ発電機が電力需要における
反復的な変化に起因して発振することを防止することで
ある。
【００６２】主制御システムは、完成したマルチ−パッ
クシステムのピーク稼動効率を決定するために、各ター
ボ発電機のためのターボ発電機性能曲線を含んでいる。
ターボ発電機およびインバータは、種々の速度で動作す
る一方、固定低周波数電力を維持する原動機として設計
されているため、各ターボ発電機は、マルチ−パック全
体の効率を最大化すべく、異なる速度で動作可能であ
る。
【００６３】自動負荷追従モードは、マルチ−パックが
全負荷を提供すると共に、公共電力の使用をゼロにする
制御モードである。この制御モードにおける過渡的負荷
成分は、システム全体の出力に大きな影響を与える。突
発的な負荷の減少は、マルチ−パックエネルギが消費さ
れ得るまでの短時間、システムが公共送配電系統上に逆
流させる原因となる。負荷の瞬間的な増加は、マルチ−
パック出力が負荷に見合い得るまでの短時間、公共送配
電系統が電力を供給することを要求する。電力需要にお
けるこの絶え間ない負荷変動は、システム全体の動作効
率を大いに低下させてしまう。負荷需要の変動に応じた
原動機の絶え間の内ない加減速を防止するために、主制
御システムは、電力消費量ならびにビルまたは使用場所
における発電を時間積分する。この積分時間は、公共レ
ート計画に基づいて変化するようプログラム可能であ
る。例えば、仮に、公共レートが１５分という時間に亘
るピーク電力消費量に基づくならば、総電力消費量は、
その時間に亘るビルにおける負荷に見合うよう積分され
得る。この積分負荷追従設定点は、制御システムが加速
度または減速の割合を小さくするか制限し、個々のユニ
ットの始動および停止数を減少させることを許し、結
果、システム全体の総合的な効率が上昇する。
【００６４】瞬間的かつ過渡的な応答が要求されるのに
備え、一またはそれよりも多くのターボ発電機をアイド
リングまたはスタンバイ状態にし、何時でも必要に応じ
て電力を供給するように準備しておく。この制御策が効
率よりも有用性を重視している間は、上昇した負荷に対
するよりよい応答時間が得られる。電力需要の小さな変
動に起因する複数のターボ発電機の始動および停止継続
の繰り返しを防止するために、主制御部８７には、調整
可能な不感帯が設定されている。
【００６５】公共ベース負荷制御モード（または、ピー
クの一部負担モード）において、主制御システムは、公
共送配電系統からの一定のベース負荷荷重を維持するよ
うに、マルチ−パックの出力を調整する。操作者は、公
共ベース負荷設定点を入力し、主制御器８７は、公共送
配電系統が負荷変動に関係なく一定量の出力を供給する
ように、個々のターボ発電機を調整する。
【００６６】ベース負荷制御モードにおいて、主制御シ
ステムは、負荷の揺らぎに関係なく、固定電力出力を維
持する。周囲の動作状態は変化するので、個々のターボ
発電機は、一定した負荷需要に見合うと共に、電力需要
を変化させるように、始動、停止する。
【００６７】以上、本発明を具体的な実施例について説
明したが、これらは単に例示のためのものであり、本発
明は、これらに限定されるものではなく、添付の適切な
請求の範囲により規定されるものと解釈されることはい
うまでもない。
【００６８】
【発明の効果】本発明による多ターボ発電機のための命
令および制御システムならびに方法によれば、総合的な
運転効率を最適化でき、多ターボ発電機システムにおけ
る各ターボ発電機について電力需要に見合うように運転
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力制御システムと共に用いるための
永久磁石型ターボ発電機／原動機の一部破断斜視図であ
る。
【図２】発電機制御器と図１に示した永久磁石型ターボ
発電機／原動機との間のインターフェースの機能ブロッ
ク図である。
【図３】図２の永久磁石型ターボ発電機／原動機用制御
器の機能ブロック図である。
【図４】典型的なマルチ−パック設備のブロック図であ
る。
【図５】送配電系統並列マルチ−パックシステムのため
の負荷追従制御モードのブロック図である。
【図６】送配電系統並列マルチ−パックシステムのため
の公共的ベース負荷制御またはピーク値の一部負担制御
モードのブロック図である。
【図７】送配電系統並列マルチ−パックシステムのため
のベース負荷制御モードのブロック図である。
【符号の説明】
１０ ターボ発電機／原動機 １２ 永久磁石発電機 １３ 出力ヘッド １４ 燃焼器 １５ 復熱装置（熱交換器） １６ 永久磁石ロータ １８ 永久磁石ステータ ２５ 放射状永久磁石ステータ冷却フィン ３０ 圧縮機 ３１ タービン ３２ 圧縮機ホイール ３３ タービンホイール ３６ ベアリングロータ ４０ 発電機制御器 ４１ 電力 ４２ 交流電力 ４４ 燃料制御バルブ ４６ 始動電力接触器 ４７ 整流器 ４８ 直流バス容量器 ４９ パルス幅変調（PWM）インバータ ５１ 交流電力濾波器 ５２ 出力接触器 ５３ 発電機接触器 ５４ 発電機整流器 ５６ 制御電源 ５７ 制御論理回路 ５８ 集積ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）ゲ
ート駆動器 ６０ イグナイタ ６１ 逃し弁 ６２ 燃料遮断電磁弁 ６４ 温度信号 ６５ 電流信号 ６６ 電圧信号 ６９ マルチ−パック ７０ 共通接続箱 ７１ 公共送配電形系統 ７２ 切断スイッチ ７３ ビル負荷 ７４ 時限防御器 ７５ リレー ７６ システムバス ７７ 容量器 ８０、８１、８２、８３、８４ ターボ発電機出力制
御器／インバータ ８５、９０、９１、９２、９３、９４ 接触器 ８６ デジタル電力計 ８７ 主制御器 １００ 公共電力消費量信号 １０１ ターボ発電機発生信号 １０２、１１１、１２２ 比較器 １０３、１１２、１２３ エラー信号 １０４ ゲイン乗算器 １０５ 積分リセットタイマ信号 １０６ 電力要求信号 １０７ 制御論理システム １１０ 公共オフセット信号 １１８ 信号 １１９ 電力計 １２０ ベース負荷要求
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596065186 6025 Ｙｏｌａｎｄａ Ａｖｅｎｕｅ，Ｔ ａｒｚａｎａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ 91356 Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のターボ発電機のための命令および
    制御システムにおいて、 複数の個々のターボ発電機を有し、該複数の個々のター
    ボ発電機はそれぞれ、制御器を備えており、 命令および制御システムバスを有し、前記複数の個々の
    ターボ発電機の制御器はそれぞれ、該命令および制御シ
    ステムバスに動作的に接続され、 複数の切断スイッチを有し、複数の個々のターボ発電機
    の制御器のそれぞれを前記命令および制御システムバス
    に動作的に接続させ、 双方向電力計を有し、 複数の個々のターボ発電機の制御器および前記双方向電
    力計に動作的に接続され、選択された制御モードで複数
    の個々のターボ発電機を制御する主制御器を有し、 さらに、電気的用途、前記電力計、複数の個々のターボ
    発電機の出力、および負荷を動作的に接続する接続箱を
    有することを特徴とする命令および制御システム。
  2. 【請求項２】 さらに、前記命令および制御システムバ
    ス、前記双方向電力計、ならびに前記接続箱に動作的に
    接続され、電力の電気的用途へのフィードバックを防止
    する時限リレーを有する請求項１に記載の命令および制
    御システム。
  3. 【請求項３】 前記選択された制御モードは、公共電力
    消費量とターボ発電機発生電力量とを比較してエラー信
    号を生成し、エラー信号を予め定められた設定時間に亘
    って合計して電力需要信号を生成する公共電力の負荷追
    従モードである請求項１に記載の命令および制御システ
    ム。
  4. 【請求項４】 前記選択された制御モードは、予め定め
    られた公共電力信号と電力計信号とを比較してエラー信
    号を生成し、エラー信号を予め定められた設定時間に亘
    って合計して電力需要信号を生成する公共電力のベース
    負荷モードである請求項１に記載の命令および制御シス
    テム。
  5. 【請求項５】 前記選択された制御モードは、電力計信
    号とベース負荷要求信号とを比較してエラー信号を生成
    し、エラー信号を予め定められた設定時間に亘って合計
    して電力需要信号を生成するベース負荷モードである請
    求項１に記載の命令および制御システム。
  6. 【請求項６】 前記選択された制御モードは、前記複数
    の個々のターボ発電機のそれぞれの始動、停止、および
    負荷接続を含む請求項１に記載の命令および制御システ
    ム。
  7. 【請求項７】 前記主制御器は、継続および制御論理シ
    ステムを含む請求項１に記載の命令および制御システ
    ム。
  8. 【請求項８】 前記継続および前記制御論理システム
    は、電力需要を調整する比例積分制御（proportional-p
    lus-integrated control）を含む請求項７に記載の命令
    および制御システム。
  9. 【請求項９】 前記始動継続は、前記複数の個々のター
    ボ発電機のそれぞれの使用時間に基づいている請求項６
    に記載の命令および制御システム。
  10. 【請求項１０】 最短の使用時間のターボ発電機を最初
    に起動する請求項９に記載の命令および制御システム。
  11. 【請求項１１】 最長の使用時間のターボ発電機を最初
    に停止する請求項９に記載の命令および制御システム。
  12. 【請求項１２】 各ターボ発電機の始動に、総電力引き
    出し要求を最小化するように、時間差をつける要求請求
    項６に記載の命令および制御システム。
  13. 【請求項１３】 故障停止の場合に、ターボ発電機を自
    動的に再始動する請求項６に記載の命令および制御シス
    テム。
  14. 【請求項１４】 アクティブなターボ発電機の故障停止
    の場合に、非アクティブなターボ発電機を自動的に再始
    動する請求項６に記載の命令および制御システム。
  15. 【請求項１５】 前記選択された制御モードは、電力履
    歴バンド、レート限、および積分設定値を含む請求項１
    に記載の命令および制御システム。
  16. 【請求項１６】 それぞれ制御器を備えた複数のターボ
    発電機の動作を命令および制御する方法において、 複数のターボ発電機の出力値を計測する工程と、 個々のターボ発電機の動作を主制御器によって継続する
    工程とを有することを特徴とする命令および制御方法。
  17. 【請求項１７】 前記継続工程は、電力需要に見合うよ
    うになされる請求項１６に記載の命令および制御方法。
  18. 【請求項１８】 前記継続工程は、ユーザが設定した設
    定値に見合うようになされる請求項１６に記載の命令お
    よび制御方法。
  19. 【請求項１９】 前記継続工程は、履歴バンド、レート
    限、および設定値積分によって、個々のターボ発電機の
    再始動および停止を防止するステップを含む請求項１６
    に記載の命令および制御方法。
  20. 【請求項２０】 前記継続工程は、故障カウンタによっ
    て、故障したターボ発電機の始動を制限するステップを
    含む請求項１６に記載の命令および制御方法。
  21. 【請求項２１】 前記継続工程は、個々のターボ発電機
    の稼働時間を均等化するステップを含む請求項１６に記
    載の命令および制御方法。
  22. 【請求項２２】 前記継続工程は、過渡応答を最適化す
    るために個々のターボ発電機をアイドリング状態で稼働
    させるステップを含む請求項１６に記載の命令および制
    御方法。
  23. 【請求項２３】 前記継続工程は、システムの効率を最
    大限にするために個々のターボ発電機のそれぞれの負荷
    電力を統制するステップを含む請求項１６に記載の命令
    および制御方法。
  24. 【請求項２４】 前記継続工程は、最後に始動したター
    ボ発電機を除く全てのターボ発電機の負荷電力を操作す
    るステップと、最後に始動したターボ発電機を電力需要
    設定値に維持するステップとを含む請求項１６に記載の
    命令および制御方法。
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