JP2002502065A - 特にガス・蒸気複合発電所のガスタービン発電機の制御方法及び制御装置 - Google Patents

特にガス・蒸気複合発電所のガスタービン発電機の制御方法及び制御装置

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JP2002502065A
JP2002502065A JP2000529642A JP2000529642A JP2002502065A JP 2002502065 A JP2002502065 A JP 2002502065A JP 2000529642 A JP2000529642 A JP 2000529642A JP 2000529642 A JP2000529642 A JP 2000529642A JP 2002502065 A JP2002502065 A JP 2002502065A
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    • F02C9/48Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
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Abstract

(57)【要約】 制御対象内の結合及び操作量の制限を考慮に入れ、ガスタービン発電機の確実な制御を可能にするために、本発明により、ガスタービン発電機(3)の少なくとも2つの操作部(14,15,16)が複数の部分操作量(Tki)から構成された1つの操作量(hsoll,βLS,uf)を供給され、各操作量(hsoll,βLS,uf)のための部分操作量(Tki)が個々の伝達関数(Fki)によって制御偏差(Δn,ΔP,Δθ,ΔU)から形成される特にガス・蒸気複合発電所のガスタービン発電機の制御方法及び制御装置が提案される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、複数の操作部を使用する特にガス・蒸気複合発電所のガスタービン
発電機の制御方法に関する。本発明はその他にこの方法に基づいて動作する制御
装置に関する。
【0002】 ガスタービン発電機はガスタービンとそれにより駆動される発電機と必要な場
合には伝動装置とを有する。タービン用の簡単な機械式回転数制御器及び発電機
用の電気機械式電圧制御器とから出発して、発電所(例えばガス・蒸気複合ター
ビン設備)において使用されている制御装置は時間の経過と共に常に改善され、
技術の開発状況に合わせられている。
【0003】 タービン内に流入する作動媒体の量がタービン操作部を介して制御され、その
操作部の操作量が制御回路において発電機の目標出力電力と実際出力電力との偏
差から形成される制御方法は知られている。出力電力、従って発電機の回転数は
例えば弁位置及び燃料量を用いて制御することができる。別の制御回路において
発電機の目標電圧と実際電圧との偏差から別の操作量が形成され、この操作量が
発電機の励磁電流又は励磁電圧を制御する励磁操作部に供給される。このために
例えば、発電機の励磁によって発電機の端子電圧を調節する電圧制御器が使用さ
れる。この公知の制御方法はそれゆえ互いに分離されている制御回路に基づいて
いる。
【0004】 制御対象が脱結合されている分離形制御回路を採用することは、弁が絞られな
い限り、大きな熱蓄積器を備えた蒸気タービン発電機において可能である。ター
ビンと、発電機と、発電機から給電される系統とから構成された制御対象を介し
て制御回路が相互に影響し合う。これによって、補償過程おいて制御挙動全体を
妨げるように制御回路がお互いに動作する。この影響を補償するために、公知の
方法の場合には、発電機出力電力から導出された補正量が部分操作量として励磁
操作部に供給される。それによって系統変動又はすべり周波数の変化が補償され
、出力電力の揺れが抑制される。このような出力電力の揺れは特に長い導線を介
して相互接続系統に結合される発電所設備において発生する。系統での出力電力
の揺れを抑制する回路装置は例えばドイツ連邦共和国特許第2851871号明
細書によって知られている。
【0005】 蒸気タービンを使用する場合、システム全体を説明するためには、弁が絞られ
ない限り、制御回路のダイナミックな脱結合を単純に採用することでまだ十分で
ある。それに対して、ガスタービンを使用する場合、ガスタービンには蒸気ター
ビンに比べて同程度の僅かな遅れないしは反応時間があるために不所望な結合が
発生し、これによって分離形制御の抑制力が減少する。それゆえ例えばガスター
ビンの場合反応の帯域幅が燃料流量の変化によって発電機動特性の限界範囲内に
達するので、ダイナミックな脱結合を単純に採用することはもはや許されない。
このような結合問題は複数のガスタービン発電機を備えた設備、特にガス・蒸気
複合タービン設備においても発生する。ドイツ連邦共和国特許第2851871
号明細書に記載されいわゆる揺れ抑制装置内で実現されている上述の出力電力の
揺れ抑制回路装置を用いると、タービンの制御回路が発電機の制御回路へ或る程
度影響する。それにも拘わらず両制御回路は互いに別々に動作する。
【0006】 各物理的操作部(例えば弁又は励磁調整器)は制限された調整範囲を有するの
で、個々の操作部は制御器が例えば擾乱に又は系統での切り換え過程に反応する
と制限動作に移行し、これが常に制御挙動を悪化させる。操作部の調整範囲の制
限によってもたらされる問題は多変数制御器の場合には一層深刻である。という
のは、操作部内の制限機能が制御対象及び制御器内の結合部を介して他の操作部
にも作用するからである。
【0007】 ヨーロッパ特許第0642707号明細書により、多変数制御における回転数
、出力電力及び電圧用の個別制御器の統合に関するタービン発電機装置の制御方
法及び制御装置が知られている。制御対象内の変化はこのヨーロッパ特許第06
42707号明細書による制御方法及び制御装置の場合には制御パラメータに対
する適用戦略によって考慮に入れられる。
【0008】 その場合、発電所の運転中の制御対象の変化が何時も一義的に検知されず、そ
れゆえ安定性の問題が必然的に伴うという特別な欠点が現れる。この理由から例
えばドイツ連合会社の指導要綱は運転中の制御パラメータの切り換えを認めてい
ない。
【0009】 さらにガスタービンテクノロジーの開発の進歩に伴って一部では、操作部が制
限動作に移行するや否や又はガスタービンの運転時に物理的限界値が上回られる
や否や他の制御器を切り離す補助制御器(例えば限界値制御器)の必要性がある
。これらの制御器を用いると、制御器構造の費用のかかる変更を必然的に伴う高
い費用が発生する。しかもその変更は制御良度を低下させることがある。
【0010】 従って、本発明の課題は、制御対象内の結合及び操作量の制限が考慮に入れら
れ、ガスタービン発電機の確実な制御を可能にする特にガス・蒸気複合発電所の
ガスタービン発電機の制御方法を提供することにある。その他に付属の制御装置
が提供されるようにしたい。
【0011】 この課題を技術的に解決するために、ガスタービン発電機の少なくとも2つの
操作部が複数の部分操作量から構成された1つの操作量を供給され、各操作量の
ための部分操作量が個々の伝達関数によって制御偏差から形成されることを特徴
とする特にガス・蒸気複合発電所のガスタービン発電機の制御方法が提案される
【0012】 本発明の優れた実施態様において、ガスタービン発電機の全ての操作部の操作
量は同数の部分操作量から構成される。部分操作量の個数は制御偏差の個数に一
致し、個々の各操作量は個々の伝達関数によって制御偏差から形成される。それ
により制御対象内の結合及び同時にガスタービン発電機の確実な制御が得られる
。従って、本発明によれば制御対象内の結合を適当な伝達関数によって考慮に入
れる多変数制御が提供され、これは制御にとって重要な全ての制御対象特性を検
知し、それゆえガスタービン発電機の各運転状態が安定化される。
【0013】 本発明の有利な実施態様によれば、操作量の少なくとも1つが別の操作量の少
なくとも1つから構成される。本発明の他の有利な実施態様によれば、少なくと
も1つの部分操作量が1つの操作量から形成される。これによって制御のために
、必要に応じて制限される実際の操作量も使用される。その際に実際の操作量は
測定されるか、又は制限が制御器内で模擬され、それにより測定は必要とされな
い。部分操作量が操作量制限の情報として使用されると有利である。本発明によ
る方法を用いると、従来通常に使用されていた限界値制御器を省略できる。
【0014】 システム全体の動特性に関する制御を改善するために、制御偏差として、発電
機出力電力,発電機電圧,タービン温度及びタービン回転数もしくは(ガスター
ビン発電機が相互接続系統に結合されている場合には)発電機周波数の目標値と
実際値との差が使用される。このためにその都度の実際値すなわち送られて来る
発電機出力電力,発電機電圧,タービン温度及びタービン回転数及び/又は(ガ
スタービン発電機が相互接続系統に結合されている場合には)発電機周波数が測
定され、そしてそれらの必要とされた目標値との偏差を形成される。
【0015】 本発明の他の有利な提案によれば、ガスタービン発電機に対して、タービン内
に流入する作動媒体の流れを調節する少なくとも1つの操作部と、発電機の界磁
巻線に対する励磁電流又は励磁電圧を発生する少なくとも1つの操作部と、圧縮
器の静翼を調節する少なくとも1つの操作部とが使用される。
【0016】 本発明による方法に基づいて動作し、特にガス・蒸気複合発電所のガスタービ
ン発電機を制御する制御装置を提供する課題は、入力量としてガスタービン発電
機の実際値及び目標値が供給され、ガスタービン発電機の操作部にそれぞれ複数
の部分操作量から形成された操作量が与えられ、しかも、目標値と実際値との制
御偏差を形成する手段と、制御偏差から部分操作量を発生する手段と、1つの操
作量を形成するために複数の部分操作量を結び付ける手段とを有する制御装置に
よって解決される。
【0017】 本発明による制御装置の有利な実施態様によれば、制御偏差から部分操作量を
発生する手段は例えばリードオンリーメモリ(ROM)又は他の適当な形態で格
納されている制御アルゴリズムである。それゆえ個々の各操作量用として、制御
偏差に応じて部分操作量を発生する個々の伝達関数を形成可能である。このよう
にして制御装置の設計中に既に制御すべき制御対象の特性全体を事前に考慮に入
れることが可能である。それによって、制御パラメータを調節するためのプログ
ラム技術的な適用戦略を必要とすることなく、設計時に基礎をなす全ての制御対
象を制御できる制御装置が製作される。
【0018】 以下において本発明の他の細部及び利点は図面に示された実施例の説明に基づ
いて詳細に説明される。
【0019】 図1は本発明による制御の実施例を状態図で示す。ここに示されていないガス
タービン発電機の制御のために、制御偏差(ここではタービン回転数の制御偏差
Δn,発電機出力電力の制御偏差ΔP,タービン温度の制御偏差Δθ(なお図面
ではこのシータの表示としてギリシャ文字の別の“シータ”が用いられている)
及び発電機電圧の制御偏差ΔU)はベクトルによって纏められて制御の入力量
として導入される。出力量として制御はここではベクトル cに纏められた操作 量(ここでは、1つの弁又は多数の弁を介してガスタービン発電機のタービン内
に流入する作動媒体の流れを調節するための操作量hsoll、ガスタービン発電機
の圧縮器の静翼を調節するための操作量βLS、及びガスタービン発電機の発電機
の界磁巻線に対する励磁電流又は励磁電圧を発生するための操作量uf)をガス タービン発電機に供給する。操作量 cは少なくとも4つの部分操作量から構成 され、これらはここでは4個のマトリクスによって表されている
個々の伝達関数によって制御偏差のベクトルから形成される。この場合、4個
のマトリクスによって12個の個別伝達関数が表され、これらは
ベクトルの4個の制御偏差をベクトル cの3個の操作量に模写する。図1か ら分かるように、制御のために、制御偏差のベクトルから種々のマトリクスに
よって得られた部分量が制御部1に供給される。異なったマトリクスによって全ての制御対象を事前に規定することができる。制御をハードウエ
ア的にもソフトウエア的にも実現するためには図1に示されているような状態図
の一般的なベクトル表示が極めて好都合である。それゆえマトリクスの個々の係数によって全ての制御対象特性を、又はマトリクスの個々の係数
個所における相応する機能によって相応する制御対象モデルを、設計時に考慮に
入れることができる。コストの節約のために全ての制御機能を1つの装置内に集
積することは極めて簡単に実現可能である。制御部1が制御アルゴリズムによっ
て実現されると有利であり、それにより極めて簡単に変更することができる。
【0020】 図2に同様に状態図で示されている制御の場合、図1に示された制御に対する
追加として、入力量としてベクトルeに纏められた制御偏差の他に、入力量とし てベクトルに纏められ必要に応じて制限された実際の操作量が同様に供給され
ている。その場合、実際の操作量が測定されたのか否か又は制限が制御器の実現
化において模擬されるのか否かは重要ではない。それによって操作量を制限する
情報をも全ての部分制御機能に使うことができる。図2による制御は図1と比較
して2つのマトリクスつまり実際の操作量のための入力マトリクスu及びバイ
パスマトリクスuが追加されている。入力量を形成する6個のマトリクスから
成る個々の伝達関数はその係数ないしは機能に関して、制限されない場合すなわ
ちガスタービン発電機の操作量がその調整範囲に関して制限されない場合には図
1に示された機能が維持されるように決定されねばならない。
【0021】 図2に示された制御を用いて、制御対象の挙動を評価するオブザーバを有し状
態フィードバックを含む状態制御器が構成される。このような制御にはオーバー
フロー制限法いわゆるアンチウインドアップ(Anti−Wind−Up)法が
適しており、この方法は、ここでは制限部2によって示された操作量制限を行う
にも拘わらず観察誤差が回避されるように例えば制御部1の制御アルゴリズムを
変更する。このようにして限界値制御器を省略できる。それゆえ例えば排気ガス
温度制御器は圧縮器静翼の調整範囲を利用する際に出力電力制御器を切り離すこ
とができ、一方例えば静翼制御器はその制限状態を続けている。このようにして
ガスタービン発電機のガスタービンの運転範囲の良好な利用が達成される。
【0022】 図3はタービン4と圧縮器5と発電機6とを含んでいるガスタービン発電機3
に対する本発明による制御装置のブロック回路図を示す。タービン4は軸7を介
して発電機6を駆動する。その際、圧縮器5によって大気から空気が吸い込まれ
、燃焼室9に供給される。そこで圧縮状態で流入する作動媒体aが空気内に含ま
れている酸素と反応する。この混合ガスはその後ガスタービン4内で仕事をしな
がら膨張する。発電機6は、これが例えばここに示されていないブロックスイッ
チ及びここに同様に示されていない発電機変圧器を介して電力系統8に接続され
ている場合にはこの電力系統に給電する。
【0023】 ガスタービン4内に流入する作動媒体aの流れを調節するために、1つの弁1
0又は複数の弁の形態の操作部が設けられている。
【0024】 圧縮器5の静翼を調節するために、ここでは操作部として1台のモータ11又
は複数台のモータが設けられており、このモータによって圧縮器5の静翼の角度
が変えられる。
【0025】 発電機6の回転側励磁部12は固定子に配置された界磁巻線13によって励磁
される。ここに示されていない補助励磁機が例えばサイリスタユニットの形態の
励磁操作部を介して界磁巻線に給電する。その際、励磁操作部が励磁のために必
要な可変直流電流又は励磁電流gを形成する。発電機は回転子内の界磁巻線によ
って励磁される。この界磁巻線はスリップリングを介して直接サイリスタユニッ
トから電流を供給される。又は、サイリスタユニットは一緒に回転する主励磁機
であり、これが整流器を介して発電機の界磁巻線に電流を供給するようにしても
よい。
【0026】 制御装置には、それぞれ予め定められた目標値と測定された実際値との差形成
によって形成されたタービン回転数の制御偏差Δn,発電機出力電力の制御偏差
ΔP,タービン温度の制御偏差Δθ及び発電機電圧の制御偏差ΔUが供給される
。タービン回転数nに追加して又はその代わりに発電機周波数fも使用できる。
同様に入力量として他のパラメータ、例えば他の制御偏差、操作量、制限操作量
、発電所制御室からの指令等も使用できる。
【0027】 制御偏差Δn,ΔP,Δθ,ΔUから個々の伝達関数Fn1,Fn2,Fn3,FP1 ,FP2,FP3,Fθ1,Fθ2,Fθ3,FU1,FU2,FU3によって部分操作量Tn 1 ,Tn2,Tn3,TP1,TP2,TP3,Tθ1,Tθ2,Tθ3,TU1,TU2,TU3
形成される。引き続いて結合要素17,18,19によってそれぞれ4個の部分
操作量からガスタービン発電機3の操作部10,11,13に対する操作量hso ll ,βis,ufが形成される。この操作量hsoll,βis,ufが弁10のための弁
制御器14と、圧縮器5の静翼を調節するモータ11のためのポジショナ15と
、発電機6の界磁巻線13に対する励磁電流を発生する励磁制御器(例えばサイ
リスタユニット)16とに供給される。制御装置の複雑さのために、特に個々の
伝達関数Fkiが12個あるゆえに、制御のためにコンピュータ援用アルゴリズム
を適用することが推奨される。その際、制御アルゴリズムは、制御量が制限値に
到達する場合又は例えば発電所設備の起動中に弁10を制御する制御器14のみ
が動作する場合をも考慮に入れている。界磁巻線13を介して励磁部12に給電
する際に、従って発電機電圧Uを構成する際に使用される組み合わせ制御への切
り換えは伝達関数によって完全に考慮に入れられており、従って何時でも可能で
ある。個々の伝達関数Fkiを通してガスタービン発電機の操作部間すなわち弁1
0、モータ11及び界磁巻線13間の通信が行われる。
【0028】 伝達関数Fkiを介して対応する制御対象モデルに関する全ての重要な制御対象
特性が考慮に入れられるので、制御装置は制御対象内の変化に対しては感応せず
、極めて強靭である。運転中に例えば部品の磨耗又は汚染、動作点のずれ及び系
統切り換えによって制御対象内に生ずる変化は制御器--の設計時に既に考慮に入
れることができるので、全ての起こり得る運転低下は制御装置によって事前に安
定化させることができる。それゆえ制御装置は、例えば予め定められた制御良度
が問題なく守られるないしは達成されるように前もって設計可能である。
【0029】 図4においては、図3による実施例が変更されて、両操作部14,15がそれ
らの操作量に関して互いに結合されている。ここでは制御偏差Δn,ΔP,Δθ
からそれぞれ伝達関数Fkiによって部分操作量Tki(但し、k=n,P,θ及び
i=1又は2)が形成され、これが適当な手段によって加算されて図3と同様に
操作量hsoll,βLSを形成している。電圧制御のための制御偏差ΔUはこの場合
には伝達関数Fuによって直接操作量ufとして発電機電圧用の操作部16に与え
られる。
【0030】 図3と同様に部分操作量が制御装置の各操作部に供給される場合のために、部
分操作量の個数が入力端に存在する制御偏差の個数から生じると有利である。例
えば4個の制御偏差Δn,ΔP,Δθ,ΔUの場合図3においては3つの操作部
14,15,16の各々のためにそれぞれ4個の部分操作量が生じている。従っ
て一般的に部分制御量に対してTki(但し、k=“制御偏差の種類”及びi=操
作部の“番号”)が当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による制御の第1の例を示す状態図
【図2】 本発明による制御の第2の例を示す状態図
【図3】 本発明による制御装置の実施例を示すブロック回路図
【図4】 2つの操作部が纏められている図3の変形例を示すブロック回路図
【符号の説明】 4 ガスタービン 5 圧縮器 6 発電機 7 軸 8 電力系統 10 弁 11 モータ 12 回転側励磁部 13 界磁巻線 14 弁制御器 15 ポジショナ 16 励磁制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H004 GB04 JB24 KA72 LA18 5H590 AA08 CA08 CE01

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の操作部を使用する特にガス・蒸気複合発電所のガスタ
    ービン発電機の制御方法において、ガスタービン発電機(3)の少なくとも2つ
    の操作部(14,15,16)が複数の部分操作量(Tki)から構成された1つ
    の操作量(hsoll,βLS,uf)を供給され、各操作量(hsoll,βLS,uf)の
    ための部分操作量(Tki)が個々の伝達関数(Fki)によって制御偏差(Δn,
    ΔP,Δθ,ΔU)から形成されることを特徴とする特にガス・蒸気複合発電所
    のガスタービン発電機の制御方法。
  2. 【請求項2】 ガスタービン発電機(3)の各操作部(14,15,16)
    に、同数の部分操作量(Tki)から構成された1つの操作量(hsoll,βLS,u f )が供給されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 部分操作量(Tki)の個数が制御偏差(Δn,ΔP,Δθ,
    ΔU)の個数に応じて選定されていることを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 少なくとも1つの部分操作量(Tki)が1つの操作量(hso ll ,βLS,uf)から形成されていることを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】 少なくとも1つの部分操作量(Tki)が少なくとも1つの伝
    達関数(Fki)によって1つの操作量(hsoll,βLS,uf)から形成されてい ることを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 操作量(hsoll,βLS,uf)の少なくとも1つのが別の操 作量(βLS,uf,hsoll)の少なくとも1つから構成されていることを特
    徴とする請求項1乃至5の1つに記載の方法。
  7. 【請求項7】 制御偏差として、発電機出力電力(P)の目標値(Psoll
    と実際値(Pist)との差(Δ)が使用されていることを特徴とする請求項1乃 至6の1つに記載の方法。
  8. 【請求項8】 制御偏差として、発電機電圧(U)の目標値(Usoll)と実
    際値(Uist)との差(ΔU)が使用されていることを特徴とする請求項1乃至 7の1つに記載の方法。
  9. 【請求項9】 制御偏差として、発電機周波数及び/又はタービン回転数(
    n)の目標値(nsoll)と実際値(nist)との差(Δn)が使用されているこ とを特徴とする請求項1乃至8の1つに記載の方法。
  10. 【請求項10】 制御偏差として、タービン温度(θ)の目標値(θsoll
    と実際値(θist)との差(Δθ)が使用されていることを特徴とする請求項1 乃至9の1つに記載の方法。
  11. 【請求項11】 ガスタービン発電機(3)に対して、ガスタービン発電機
    (3)のタービン(4)の燃焼室(9)内に流入する作動媒体(a)の流れを調
    節する少なくとも1つの操作部(14)が使用されていることを特徴とする請求
    項1乃至10の1つに記載の方法。
  12. 【請求項12】 ガスタービン発電機(3)に対して、ガスタービン発電機
    (3)の発電機(6)の界磁巻線(13)に対する励磁電流(g)を発生する少
    なくとも1つの操作部(16)が使用されていることを特徴とする請求項1乃至
    11の1つに記載の方法。
  13. 【請求項13】 ガスタービン発電機(3)に対して、ガスタービン発電機
    (3)の圧縮器(5)の静翼(13)を調節する少なくとも1つの操作部(15
    )が使用されていることを特徴とする請求項1乃至12の1つに記載の方法。
  14. 【請求項14】 請求項1乃至13の1つに記載の方法を実施するための制
    御装置において、制御偏差(Δn,ΔP,Δθ,ΔU)から部分操作量(Tki
    を発生する手段と、それぞれ少なくとも1つの操作量(hsoll,βLS,uf)を 形成するために複数の部分操作量(Tki)を結合する手段とが設けられているこ
    とを特徴とする制御装置。
  15. 【請求項15】 目標値(nsoll,Psoll,θsoll,Usoll)と実際値(n ist ,Pist,θist,Uist)とから制御偏差(Δn,ΔP,Δθ,ΔU)を形成
    する手段が設けられていることを特徴とする請求項14記載の制御装置。
  16. 【請求項16】 部分操作量(Tki)を発生する手段がコンピュータ援用ア
    ルゴリズムであることを特徴とする請求項14又は15記載の制御装置。
  17. 【請求項17】 部分操作量(Tki)を発生する手段がオーバーフロー制限
    機能を有することを特徴とする請求項14乃至16の1つに記載の制御装置。
  18. 【請求項18】 オーバーフロー制限機能がアンチウインドアップ制御アル
    ゴリズムによって形成されていることを特徴とする請求項14乃至17の1つに
    記載の制御装置。
JP2000529642A 1998-02-02 1999-02-01 特にガス・蒸気複合発電所のガスタービン発電機の制御方法及び制御装置 Pending JP2002502065A (ja)

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DE19804026A DE19804026C1 (de) 1998-02-02 1998-02-02 Verfahren und Regeleinrichtung zur Regelung eines Gasturbosatzes, insbesondere von Gas- und Dampf-Kraftwerken
DE19804026.1 1998-02-02
PCT/DE1999/000265 WO1999039249A1 (de) 1998-02-02 1999-02-01 Verfahren und regeleinrichtung zur regelung eines gasturbosatzes, insbesondere von gas- und dampf-kraftwerken

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