ドループ速度制御

ドループ速度制御は、交流発電機に用いられる制御モードであり、線路周波数の上昇に伴い発電機の出力電力を低下させます。これは、電力系統に接続された同期発電機を駆動する原動機の調速機の速度制御モードとして一般的に用いられます。この制御は、原動機の発電量を系統周波数に応じて制御することで機能します。ドループ速度制御では、系統が最大動作周波数で動作しているときは原動機の電力がゼロに低下し、系統が最小動作周波数で動作しているときは電力が100%に設定され、その他の動作周波数では中間値に設定されます。

このモードでは、同期発電機を並列に実行できるため、同じドループ曲線を持つ発電機間で、電力定格に比例して負荷が共有されます。

実際には、大規模電力網の発電機が用いるドループ曲線は必ずしも直線的または均一ではなく、運用者によって調整される可能性があります。これにより、負荷に応じて電力使用比率を変化させることができます。例えば、ベースロード発電機は、需要が低いときにより多くの電力を発電します。安定性を確保するには、運転周波数範囲全体にわたって、出力が周波数の単調減少関数となることが必要です。

ドループ速度制御は、系統連系システムにも適用できます。ドループ速度制御により、これらのシステムは平均よりも高い周波数で系統からエネルギーを取り出し、低い周波数で供給します。

リニア

同期発電機の周波数は次のように表される。

F={\frac {PN}{120}}

どこ

F、周波数（Hz）、
P、極数、
N、発電機の速度（RPM）

同期発電機の周波数（F）は、その速度（N）に正比例します。複数の同期発電機が電力系統に並列接続されている場合、各発電機の個々の出力は大規模な電力系統の負荷に比べて小さいため、周波数は電力系統によって固定されます。電力系統に接続された同期発電機はすべて同じ周波数で運転されますが、極数（P）が異なるため、さまざまな速度で運転できます。

このモードでは、実速度に対するパーセンテージで速度基準が設定されます。発電機が無負荷から全負荷まで負荷をかけると、原動機の実速度は低下する傾向があります。このモードでは、出力を増加させるために、原動機の速度基準が増加します。原動機の実速度は電力系統によって固定されているため、この速度基準と原動機の実速度の差を利用して、原動機への作動流体（燃料、蒸気など）の流量を増加させ、出力を増加させます。出力を減少させる場合は、この逆のことが当てはまります。原動機の速度基準は常に原動機の実速度よりも高くなります。原動機の実速度は、基準に対して「ドループ」または低下することが許容されるため、この名前が付けられています。

例えば、タービンの定格回転数が3000rpmで、無負荷からベース負荷に負荷がかかったときに機械速度が3000rpmから2880rpmに低下する場合、ドループ%は次の式で表されます。

\mathrm {Droop\%} ={\frac {\mathrm {無負荷速度-全負荷速度} }{\mathrm {無負荷速度} }}

={\frac {3000-2880}{3000}}

=4\%

この場合、速度指令値は104%、実速度は100%となります。タービン速度指令値が1%変化するごとに、ドループ設定が4%のユニットではタービン出力は定格の25%変化します。したがって、ドループは、調速機の100%動作に必要な（設計）速度の変化率として表されます。

系統周波数は固定されており、実際のタービン回転速度も固定されているため、タービン回転速度指令値が増加すると、指令値と実際の回転速度の誤差が増加します。誤差が増加すると、燃料流量が増加して出力が増加し、逆もまた同様です。このタイプの制御は「直線比例」制御と呼ばれます。系統全体が過負荷状態になると、系統周波数が低下し、発電機の実際の回転速度も低下します。すべてのユニットで速度誤差が増加し、原動機への燃料流量と出力が増加します。このように、ドループ速度制御モードは系統周波数の安定化にも役立ちます。発電量は、実際のタービン回転速度と速度指令値の誤差に厳密に比例します。

システムに同期されたすべての機械が同じドループ速度制御を備えている場合、機械の定格に比例した負荷を分担することが数学的に証明されています。^{[ 1 ]}

例えば、GE設計の大型ガスタービンにおける燃料流量の増減は、次の式で表すことができます。

$FSRN=(FSKRN2*(TNR-TNH))+FSKRN1$

どこ、

$FSRN$ = ドループモードの燃料ストローク基準（ガスタービンに供給される燃料）

$TNR$ = タービン速度基準

$TNH$ = 実際のタービン速度

$FSKRN2$ = 定数

$FSKRN1$ = 定数

上記の式は、直線の方程式 (y = mx + b) に他なりません。

グリッドに接続された、等しい % ドループ設定を持つ複数の同期発電機は、ベース負荷に比例してグリッド負荷の変化を共有します。

北米の電力網を安定的に運用するために、発電所は通常4～5%の速度低下で運転されます。 ^{[ 2 ]} 定義上、5%の低下では全負荷速度は100%、無負荷速度は105%になります。

通常、電力網で稼働しているすべての発電機とモーターの回転質量全体の慣性により、速度の変化はわずかです。 ^{[ 3 ]}特定の原動機と発電機の組み合わせの出力調整は、遠心調速機のバネ圧を高めるか、エンジン制御装置の調整によってドループ曲線を徐々に上昇させることによって行われます。あるいは、電子調速機の類似操作によってドループ曲線を徐々に上昇させることによって行われます。電力網に接続されるすべてのユニットは同じドループ設定を持つ必要があります。これにより、すべてのプラントが外部通信に依存することなく、瞬時周波数の変化に同じように応答します。^{[ 4 ]}

米国の連続した送電網は、500 社によって運営される 300,000 km の送電線で構成されています。

同期発電機の並列運転によって生じる慣性の次に、^{[ 5 ]}周波数速度低下は、個々の発電所の出力（kW）を制御する際の主要な瞬間パラメータである。^{[ 6 ]}

参照

参考文献

^ウィリアム・D・スティーブンソン・ジュニア著『電力系統解析の要素』第3版、マグロウヒル、ニューヨーク（1975年） ISBN 0-07-061285-4378-379ページ
^ 「Governor Control」 . Control.com . 2015年12月24日閲覧。
^ 「リアルタイム周波数データ - 過去60分」ナショナルグリッド。2015年12月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年12月24日閲覧。
^速度低下と発電。アプリケーションノート01302。2. Woodward。速度
^ VSYNCプロジェクト
^ Whitaker, Jerry C. (2006). AC電源システムハンドブック. フロリダ州ボカラトン: Taylor and Francis. p. 35. ISBN 978-0-8493-4034-5。

さらに読む

アルフレッド・エングラー：「低電圧グリッドにおけるドループの適用可能性」『International Journal of Distributed Energy Resources』第1巻第1号、2005年。

[1] ウィリアム・D・スティーブンソン・ジュニア著『電力系統解析の要素』第3版、マグロウヒル、ニューヨーク（1975年） ISBN 0-07-061285-4378-379ページ

[2] 「Governor Control」 . Control.com . 2015年12月24日閲覧。

[3] 「リアルタイム周波数データ - 過去60分」ナショナルグリッド。2015年12月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年12月24日閲覧。

[4] 速度低下と発電。アプリケーションノート01302。2. Woodward。速度

[5] VSYNCプロジェクト

[6] Whitaker, Jerry C. (2006). AC電源システムハンドブック. フロリダ州ボカラトン: Taylor and Francis. p. 35. ISBN 978-0-8493-4034-5。

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