JP2005218163A - Turbine power generation apparatus and independent operation method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 タービン発電装置において、高価な保護装置を必要とせず、また電力蓄積要素を設けることなく、負荷の変動に対する出力応答性に優れた自立運転を可能にする。
【解決手段】 タービン発電機4の発電電力をコンバータ5で直流電力に変換し、コンバータから出力される直流電力をさらにインバータ7で交流電力に変換して負荷へ出力するタービン発電装置1において、コンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値Vc1以下のとき、系統8からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値Vc2以上のとき、回生抵抗11で余剰電力を消費することによって、インバータに入力される電圧を、Vc1〜Vc2になるように制御する。インバータへの入力電圧を安定させることによって、負荷変動に対するインバータ出力の高速制御を可能にする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a self-sustained operation excellent in output responsiveness to a load change without requiring an expensive protective device and without providing a power storage element in a turbine power generator.
In a turbine power generator 1 that converts power generated by a turbine generator 4 into DC power by a converter 5, further converts DC power output from the converter into AC power by an inverter 7, and outputs the AC power to a load. When the voltage supplied to the inverter via the voltage is equal to or lower than the first voltage value Vc1 determined in advance, the voltage supplied from the system 8 to the inverter and supplied from the turbine generator via the converter to the second voltage determined in advance When the voltage value is equal to or higher than Vc2, the regenerative resistor 11 consumes surplus power, thereby controlling the voltage input to the inverter to be Vc1 to Vc2. By stabilizing the input voltage to the inverter, high-speed control of the inverter output with respect to load fluctuations becomes possible.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、ガスタービンによって永久磁石式同期発電機を駆動して発電を行うタービン発電装置およびその自立運転方法に関する。 The present invention relates to a turbine power generation apparatus that generates power by driving a permanent magnet synchronous generator by a gas turbine, and a self-sustained operation method thereof.
マイクロガスタービンなど、ガスタービンと同期発電機が直結しているタービン発電機では、発電周波数はガスタービンの回転速度(以後、回転数と呼ぶことがある)に発電機の極対数を乗じたものとなり、商用周波数(50または60Hz)に比べて高い周波数の電力を発生する。たとえば、6万rpmのガスタービンに直結した2極(極対数は1)の発電機は、1kHzの電力を発生する。このような高速回転の発電機は、遠心力に耐える強度とするため、また、小型とし出力密度を上げるため、ロータの磁極に強力な希土類の永久磁石を用いた発電機が使われる。すなわち、永久磁石式同期発電機は、界磁巻線のある発電機とは異なり、磁場の強さを操作することができない、すなわち発電電圧の制御ができない発電機である。この発電出力を利用するには、商用の周波数(50または60Hz)および電圧(たとえば3相220V)に変換する必要がある。この電力変換は、整流回路たとえばコンバータ(略称CNV)により一旦直流に変換した後、その直流電力をインバータ(略称INV)で再度所要の周波数と電圧の交流に変換することによって行われている。 In a turbine generator in which a gas turbine and a synchronous generator are directly connected, such as a micro gas turbine, the power generation frequency is obtained by multiplying the rotation speed of the gas turbine (hereinafter sometimes referred to as the rotation speed) by the number of pole pairs of the generator. Thus, electric power having a frequency higher than the commercial frequency (50 or 60 Hz) is generated. For example, a 2-pole generator (the number of pole pairs is 1) directly connected to a gas turbine of 60,000 rpm generates 1 kHz of power. Such a high-speed rotating generator uses a generator using a strong rare earth permanent magnet as a magnetic pole of the rotor in order to make it strong enough to withstand centrifugal force, and to reduce the size and increase the power density. That is, unlike a generator having a field winding, a permanent magnet type synchronous generator is a generator that cannot manipulate the strength of a magnetic field, that is, cannot control a generated voltage. In order to use this power generation output, it is necessary to convert it into a commercial frequency (50 or 60 Hz) and voltage (for example, three-phase 220 V). This power conversion is performed by once converting to direct current by a rectifier circuit such as a converter (abbreviated as CNV) and then converting the direct current power into alternating current of a required frequency and voltage by an inverter (abbreviated as INV).
一般的に、このようなタービン発電装置は、負荷の変動に対する出力応答特性が劣る。たとえば系統連系機のマイクロガスタービンについて一例を示すと、出力を零(0)%から100%まで上げるのに1分もの時間を必要とする。系統連系されるタービン発電装置は、ベースロード運転、すなわちベース負荷の電力のみタービン発電装置で供給するように運転され、負荷の変動に対する発電装置による発電電力の不足分は、系統からの給電によって対応される。したがって、負荷の変動に対するガスタービン発電装置の出力応答性は求められていない。 In general, such a turbine power generator is inferior in output response characteristics with respect to load fluctuations. For example, in the case of a micro gas turbine of a grid interconnection machine, it takes 1 minute to raise the output from zero (0)% to 100%. Turbine power generators connected to the grid are operated so that only the power of the base load is supplied by the turbine power generator, and the shortage of the power generated by the power generator with respect to load fluctuations is caused by the power supply from the grid. Corresponding. Therefore, the output responsiveness of the gas turbine power generation device with respect to load fluctuations is not required.
しかしながら、系統連系の運転では、負荷の変動に応じてタービン発電装置による発電電力が負荷の必要電力を上回るとき、タービン発電装置による余剰の発電電力が系統へ供給される。系統は、多くの場合商用電源であることが多いので、タービン発電装置から系統へ供給される電力に起因する過電流、過電圧、周波数変動などによるトラブル発生を防止するために、系統とタービン発電装置とを切離すことのできる保護装置を設置しなければならないという問題がある。また前述のように系統は、商用電源すなわち電力会社の資産であるので、タービン発電装置を系統に連系させるには、電力会社と予め協議しなければならないという問題がある。このように、タービン発電装置と系統との連系には、高価な保護装置を必要とし、また事前に電力会社の了解を得るべく協議を必要とすることが、タービン発電装置普及の妨げとなっている。 However, in the grid connection operation, when the power generated by the turbine power generator exceeds the required power of the load in accordance with the load variation, surplus power generated by the turbine power generator is supplied to the system. Since the grid is often a commercial power source in many cases, in order to prevent troubles due to overcurrent, overvoltage, frequency fluctuation, etc. caused by the power supplied from the turbine power generator to the grid, the grid and the turbine power generator There is a problem that it is necessary to install a protective device that can be disconnected. Further, as described above, since the grid is a commercial power source, that is, an asset of the electric power company, there is a problem that it is necessary to negotiate with the electric power company in advance in order to link the turbine power generation device to the grid. As described above, the connection between the turbine power generation device and the system requires an expensive protective device, and the need for consultation in advance to obtain the consent of the electric power company hinders the spread of the turbine power generation device. ing.
このような問題を解決し系統との連系を用いない従来技術に、タービン発電装置に電力蓄積要素を設け、タービン発電装置の出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を電力蓄積要素の充放電によって吸収するというものがある(特許文献1参照)。 In the conventional technology that solves such problems and does not use interconnection with the grid, a power storage element is provided in the turbine power generation device, and the load fluctuation component in the region where the output control of the turbine power generation device cannot follow the power storage element Is absorbed by charging / discharging (see Patent Document 1).
しかしながら、電力蓄積要素の代表例であるたとえば二次電池は、寿命が比較的短く、該二次電池を含む発電装置をパッケージ内に設ける場合、電力蓄積機能を充分発現させるためには適正温度範囲になるように管理をしなければならない。また二次電池が、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などであると、環境負荷の高い物質が含まれるので、廃棄処理が難しいという問題がある。また電力蓄積要素が設けられたタービン発電装置の運転に際しては、電力蓄積要素に対して充電する操作が必須であり、その充電中である十数分間はガスタービンを停止することができないという問題がある。 However, for example, a secondary battery, which is a representative example of a power storage element, has a relatively short life, and when a power generation device including the secondary battery is provided in a package, an appropriate temperature range is required to sufficiently develop the power storage function. It must be managed to become. Further, when the secondary battery is a lead storage battery, a lithium ion battery, a nickel metal hydride battery, or the like, there is a problem that disposal is difficult because a substance having a high environmental load is included. Further, when operating a turbine power generation device provided with a power storage element, an operation for charging the power storage element is essential, and the gas turbine cannot be stopped for ten minutes during the charging. is there.
本発明の目的は、高価な保護装置を必要とせず、また電力蓄積要素を設けることなく、負荷の変動に対する出力応答性に優れたタービン発電装置およびその自立運転方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a turbine power generator excellent in output responsiveness to load fluctuations and a self-sustaining operation method thereof without requiring an expensive protective device and without providing a power storage element.
本発明は、(a)燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに、永久磁石式同期発電機が連結されるタービン発電機と、
(b)タービン発電機に接続されるコンバータと、
(c)コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
(d)交流連系系統に接続される変圧手段と、
(e)変圧手段とインバータとの間に接続される整流手段と、
(f)コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
(g)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下の状態では、変圧手段および整流手段を介して交流連系系統からインバータに給電し、
(h)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置である。
The present invention includes (a) a turbine generator in which a permanent magnet synchronous generator is connected to a gas turbine whose output can be controlled by a fuel flow rate;
(B) a converter connected to the turbine generator;
(C) an inverter connected between the converter and the load;
(D) transforming means connected to the AC interconnection system;
(E) rectifying means connected between the transformer means and the inverter;
(F) including a regenerative resistor connected to a direct current part that is an output part from the converter,
(G) In a state where the voltage fed from the turbine generator to the inverter via the converter is equal to or lower than the first voltage value determined in advance, the inverter is fed from the AC interconnection system via the transformer means and the rectifier means,
(H) A turbine power generator configured to consume surplus power by a regenerative resistor when a voltage fed from a turbine generator to an inverter via a converter is equal to or higher than a predetermined second voltage value. Device.
また本発明は、(a)燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに、永久磁石式同期発電機が連結されるタービン発電機と、
(b)タービン発電機に接続されるコンバータと、
(c)コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
(d)交流連系系統とインバータとの間に接続されるPWMコンバータと、
(e)PWMコンバータに接続され、PWMコンバータの出力方向を交流連系系統からインバータへ向う方向に制限するリミッタと、
(f)コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
(g)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下の状態では、PWMコンバータを介して交流連系系統からインバータに給電し、
(h)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置である。
The present invention also includes: (a) a turbine generator in which a permanent magnet synchronous generator is connected to a gas turbine whose output can be controlled by a fuel flow rate;
(B) a converter connected to the turbine generator;
(C) an inverter connected between the converter and the load;
(D) a PWM converter connected between the AC interconnection system and the inverter;
(E) a limiter that is connected to the PWM converter and limits the output direction of the PWM converter to a direction from the AC interconnection system to the inverter;
(F) including a regenerative resistor connected to a direct current part that is an output part from the converter,
(G) In a state where the voltage supplied from the turbine generator to the inverter via the converter is equal to or lower than a predetermined first voltage value, the inverter is supplied from the AC interconnection system via the PWM converter,
(H) Turbine power generation configured to consume surplus power by regenerative resistance in a state where the voltage fed from the turbine generator through the converter to the inverter is equal to or higher than a predetermined second voltage value Device.
また本発明は、燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに連結される永久磁石式同期発電機を駆動して発電を行い、発電電力をコンバータで直流電力に変換し、コンバータから出力される直流電力をさらにインバータで交流電力に変換して負荷へ給電するタービン発電装置の自立運転方法において、
ガスタービンに永久磁石式同期発電機が連結されて成るタービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下のとき、交流連系系統からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上のとき、回生抵抗で余剰電力を消費することによって、
インバータに入力される電圧を、第1電圧値を超え、第2電圧値未満の範囲になるように制御することを特徴とするタービン発電装置の自立運転方法である。
The present invention also generates power by driving a permanent magnet synchronous generator connected to a gas turbine whose output can be controlled by the fuel flow rate, converts the generated power into DC power by a converter, and outputs DC power from the converter. In the self-sustaining operation method of the turbine generator that further converts the AC power into the AC power by the inverter and supplies power to the load,
When the voltage supplied to the inverter through the converter from the turbine generator in which the permanent magnet type synchronous generator is connected to the gas turbine is equal to or lower than a predetermined first voltage value, the inverter is supplied from the AC interconnection system, When the voltage supplied to the inverter from the turbine generator through the converter is equal to or higher than a predetermined second voltage value, by consuming excess power with the regenerative resistor,
It is a self-sustaining operation method of a turbine power generator characterized by controlling the voltage inputted into an inverter so that it may become the range which exceeds the 1st voltage value and is less than the 2nd voltage value.
また本発明は、燃料流量によるガスタービンの出力制御は、
起動時には、
予め定められるガスタービンに対する投入燃料流量と回転数との関係に基づいて、ガスタービンが所定の回転数になるような燃料流量を投入し、
起動後の運転時には、
ガスタービンの排ガス温度EGTを検出し、予め負荷の大きさに対応して定められるガスタービン回転数および該ガスタービン回転数に対応するように予め定められる設定排ガス温度SEGTと、検出排ガス温度EGTとの偏差ΔT(=SEGT−EGT)が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量と、
コンバータからインバータに対して出力される直流部の電圧Vdcを検出し、予め定める電圧設定値Vsに対する検出電圧値Vdcの偏差ΔV(=Vs−Vdc)が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量とのうち、
いずれか少ない方の燃料流量になるように選択することによって行われることを特徴とする。
In the present invention, the output control of the gas turbine by the fuel flow rate is
At startup,
Based on a predetermined relationship between the fuel flow rate and the rotational speed of the gas turbine, the fuel flow rate is charged so that the gas turbine has a predetermined rotational speed.
When driving after startup,
The exhaust gas temperature EGT of the gas turbine is detected, the gas turbine rotation speed determined in advance corresponding to the magnitude of the load, the preset exhaust gas temperature SEGT predetermined to correspond to the gas turbine rotation speed, and the detected exhaust gas temperature EGT The fuel flow rate necessary for changing the rotational speed so that the deviation ΔT (= SEGT−EGT) of
DC voltage Vdc output from the converter to the inverter is detected, and the rotational speed is changed so that the deviation ΔV (= Vs−Vdc) of the detected voltage value Vdc with respect to the predetermined voltage setting value Vs becomes zero. Of the fuel flow required for
It is characterized by being performed by selecting whichever fuel flow rate is smaller.
本発明によれば、負荷の増大に対してタービン発電機による発電電力が不足するとき、変圧手段および整流手段を介して系統から給電を受け、負荷の減少に対してタービン発電機による発電電力が過剰になるとき、余剰電力を回生抵抗で消費して系統に戻すことがない。このように系統からは給電を受けるのみであり、余剰電力を系統に供給することがないので保護装置を必要としない。また出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を吸収するための電力蓄積要素を設けることなく、負荷の変動に対する出力応答性に優れたタービン発電装置を実現することができる。さらに、電力蓄積要素を含まないので、タービン発電装置を停止操作する際、電力蓄積要素に充電することが不要であり、即時停止することができるので、不要な燃料消費を抑制することができる。 According to the present invention, when the power generated by the turbine generator is insufficient with respect to an increase in load, power is supplied from the system via the transformer means and the rectifier means, and the power generated by the turbine generator is decreased with respect to the decrease in load. When excessive, excess power is not consumed by the regenerative resistor and returned to the grid. In this way, only power is supplied from the system, and no surplus power is supplied to the system, so that a protective device is not required. Further, it is possible to realize a turbine power generator having excellent output responsiveness to load fluctuations without providing a power storage element for absorbing load fluctuations in a region where output control cannot follow. Further, since the power storage element is not included, it is not necessary to charge the power storage element when stopping the turbine power generation device, and the power storage element can be stopped immediately, so that unnecessary fuel consumption can be suppressed.
また本発明によれば、系統からインバータへPWMコンバータを介して給電することによって、一層高精度に直流部分の電圧制御を実現することができる。 Further, according to the present invention, voltage control of the DC portion can be realized with higher accuracy by supplying power from the system to the inverter via the PWM converter.
また本発明によれば、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下のとき、系統からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上のとき、回生抵抗で余剰電力を消費するので、系統を保護するための保護装置を設ける必要がなく、また出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を吸収するための電力蓄積要素も必要とすることなく、インバータに対して入力される電圧を、第1電圧値を超え、第2電圧値未満の範囲になるように精度良く安定させ、負荷の変動に対するインバータ出力の応答性に優れたタービン発電装置の自立運転方法が提供される。 Further, according to the present invention, when the voltage fed from the turbine generator to the inverter through the converter is equal to or lower than a predetermined first voltage value, the power is fed from the system to the inverter, and from the turbine generator to the inverter through the converter. When the supplied voltage is equal to or higher than the predetermined second voltage value, excess power is consumed by the regenerative resistor, so there is no need to provide a protection device for protecting the system, and the area where output control cannot follow Without the need for a power storage element to absorb the load fluctuations, the voltage input to the inverter is accurately stabilized so that it exceeds the first voltage value and falls below the second voltage value. Thus, a self-sustaining operation method of a turbine power generator excellent in responsiveness of an inverter output to a load change is provided.
図1は本発明の実施の一形態であるタービン発電装置1の構成を簡略化して示す系統図であり、図2は図1に示すタービン発電装置1の要部の回路を示す図である。タービン発電装置1は、燃料流量によって出力制御可能なガスタービン2に、永久磁石式同期発電機3が連結されるタービン発電機4と、タービン発電機4に接続されるコンバータ5と、コンバータ5と負荷6との間に接続されるインバータ7と、交流連系系統8(以後、単に系統8と略称することがある)に接続される変圧手段9と、変圧手段9とインバータ7との間に接続される整流手段10と、コンバータ5からの出力部である直流部37に接続される回生抵抗11とを含んで構成される。
FIG. 1 is a system diagram showing a simplified configuration of a
ガスタービン2は、タービン21と、空気圧縮機22と、燃焼器23とを備える。燃焼器23には、燃料源24から遮断弁25および燃料の供給流量を制御するガスコンプレッサ26を経て燃料が供給され、また空気圧縮機22から圧縮空気が供給される。燃焼器23において燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成することによって、タービン21が駆動され、タービン21の発生動力と空気圧縮機22の駆動力との差が、軸出力として永久磁石式同期発電機3の駆動に用いられる。ガスタービン2の出力は、後述する制御方法に従って、ガスコンプレッサコントローラ27が、ガスコンプレッサ26を動作制御して燃料ガスの流量を調整することによって、回転速度(=回転数)制御される。
The
永久磁石式同期発電機3は、永久磁石を有するロータ28と、界磁コイルを有するステータ29とを含み、ロータ28がガスタービン2の出力軸に直結されて回転駆動されることによって、その駆動される回転数に対応する周波数を有する誘起電圧を発生する。また界磁コイルに交流電力が供給されて励磁されることによって、永久磁石式同期発電機3は、同期電動機3aとして動作し、トルクを発生して、ガスタービン2の回転起動を行うことができる。
The permanent magnet type
永久磁石式同期発電機3の界磁コイルは、たとえば星形であり、ライン31,32,33を介してコンバータ5に接続される。コンバータ5は、ライン34,35間に接続されるコンバータ用ブリッジ回路36を有する。このコンバータ用ブリッジ回路36は、ライン34,35間に直列に接続される各相毎のスイッチングトランジスタQ1c,Q2c;Q3c,Q4c;Q5c,Q6cとを含み、ライン31,32,33に接続される。
The field coil of the permanent magnet type
ライン34,35には、直流部37が設けられ、さらにインバータ7が設けられる。インバータ7は、ライン34,35間に接続されるインバータ用ブリッジ回路38を有する。このインバータ用ブリッジ回路38は、前述のコンバータ用ブリッジ回路36に類似し、各相毎に直列に接続されたインバータ用スイッチングトランジスタQ1i,Q2i;Q3i,Q4i;Q5i,Q6iを有し、ライン39,40,41に接続される。スイッチングトランジスタQ1c〜Q6cおよびQ1i〜Q6iは、オン/オフのスイッチング動作をする制御端子を備えるトランジスタ以外のスイッチング素子によって実現されてもよい。これらのライン39,40,41は、リアクトル42、電磁接触器43を経て、負荷6に接続される。直流部37のライン34,35には、その直流部37の電圧Vdcを検出する電圧センサ46が接続され、またコンデンサ44,45を含んでも良い。
The
コンバータ5は、タービン発電機4から出力される交流電力を、直流変換して直流部37へ出力し、インバータ7は、直流部37から入力される直流電力を、交流変換して、たとえばAC220V、周波数60Hzの交流電力として負荷6へ出力する。
The
系統8に接続される変圧手段9は昇圧トランスであり、整流手段10は三相全波整流器(以後、単に整流器と呼ぶ)である。昇圧トランス9は、系統8の電圧変動に関わらずインバータ7を介して負荷6に対し、たとえばAC220Vを安定して供給するために設けられる。負荷6に対してAC220Vを供給するために必要なインバータ7へ入力されるべき直流電圧は、AC220Vの√(2)倍であるDC310Vであるけれども、フィルタなどによる電圧降下を考慮して本実施の形態ではプラスαの電圧を予め付加しておくこととし、整流器10から直流部37に与える直流電圧は、DC340Vになるように設定される。したがって、昇圧トランス9による系統8からの電圧を昇圧して出力する電圧は、DC340Vの1/√(2)倍であるAC220Vになるように設定される。
The transforming means 9 connected to the
この系統8から昇圧トランス9と整流器10とを経て直流部37に接続される回路は、 前述した直流部37の電圧Vdcが、第1電圧値Vc1として定められるたとえばDC340V以下になると、系統8から昇圧トランス9と整流器10とを経て、直流部37に給電されるように構成される。
The circuit connected to the
回生抵抗11は、ライン34,35に接続されるインバータ7に備えられる回生指令部47に接続するように設けられる。直流部37の電圧Vdcが、第2電圧値Vc2として定められるたとえばDC400V以上になると、回生指令信号が回生指令部47のトランジスタ48に与えられ、トランジスタ48の動作によって、回生抵抗11に通電されて電力を消費する。トランジスタ48の動作は、不図示の制御手段である処理回路から第2電圧値Vc2としての設定電圧DC400Vと、電圧センサ46により検出される直流部37の電圧Vdcとを不図示の減算器に入力し、減算器の出力をトランジスタ48へ入力することによって実現される。
The
以下タービン発電装置1の動作および制御について説明する。タービン発電装置1の起動制御は、予め定める起動シーケンスに従って行われる。起動時、永久磁石式同期発電機3は、系統8からコンバータ5を介して交流電力供給を受け、同期電動機3aとして回転動作を開始する。コンバータ5を介して供給される交流電力の周波数の増加に伴う同期電動機3aの回転数増加の過程において、燃料源24に繋がるガスコンプレッサ26から燃焼器23に燃料が供給されて点火される。
Hereinafter, the operation and control of the
このガスコンプレッサ26からの燃料供給は、次のようにして行われる。制御手段のメモリに予めストアされている起動制御マップ52、すなわち起動時における経過時間と燃料供給量との関係を与えるデータに従い、燃料供給量が、制御手段からガスコンプレッサコントローラ27に燃料投入指令信号として出力される。ガスコンプレッサコントローラ27は、前述のメモリにストアされている燃料インデックス49、すなわち燃料の供給量とタービン21の回転数との関係を与えるマップに従い、燃料供給量を回転数指令信号としてガスコンプレッサ26に出力する。ガスコンプレッサ26は、回転数指令信号に応じて、燃料源24から燃料を燃焼器23に対して供給する。
The fuel supply from the gas compressor 26 is performed as follows. The fuel supply amount is sent from the control means to the
起動シーケンスに従って設定されるタービン21の回転数は、系統8から給電される交流電力の周波数に対応する回転数よりも大きいので、系統8を供給源としてコンバータ5から永久磁石式同期発電機3に向かって流れていた電流は、ガスタービン2、したがって永久磁石式同期発電機3からコンバータ5に向かって流れ出すように逆転し、タービン発電装置1の起動が行われる。
Since the rotational speed of the
運転動作中におけるタービン発電装置1のインバータ7の出力電圧は、接続される負荷6によって決まる。ガスタービン2は、定格出力より少ない出力の運転時、定格回転数よりも低い回転数で運転した方が、効率が高いという特性を有する。したがって効率を重視した運転を行うには、出力に応じてその回転数を変える必要が生じる。タービン発電装置1では、永久磁石式同期発電機3の同期化力を利用し、負荷6によって決まるインバータ7の出力電圧に応じた最適な回転数が選定されるように制御される。
The output voltage of the
ガスタービン2の最適回転数の選定制御は、次のようにして行われる。まず負荷とその負荷に対する適正タービン回転数との関係を与えるタービン速度設定マップ50を、予め求めてメモリにストアしておく。負荷6を検出する負荷検出センサ6aからの検出出力に応じてタービン速度設定マップ50から選定されるタービン回転数を、制御手段が、タービン回転数指令信号としてコンバータ5に対して出力する。コンバータ5の出力する周波数に応じて同期化力により永久磁石式同期発電機3の回転数を、タービン回転数指令信号によって指示される回転数になるように拘束することによって、最適回転数の選定が実現される。
Selection control of the optimum rotational speed of the
以下永久磁石式同期発電機3の同期化力について説明する。永久磁石式同期発電機3が発電している状態では、永久磁石式同期発電機3の誘起電圧の位相は端子電圧に対して進んだ状態で動作しており、誘起電圧と端子電圧との差を永久磁石式同期発電機3の巻線等のインピーダンスで除した電流が、永久磁石式同期発電機3の端子からコンバータ5に向って流れる。この電流と磁場との相互作用により、永久磁石式同期発電機3のロータ28に対して減速トルクが作用し、この減速トルクとガスタービン2からの動力が釣合えば、永久磁石式同期発電機3は安定状態で発電を続ける。
Hereinafter, the synchronization force of the permanent magnet type
この状態でガスタービン2の駆動トルクが減少すると、電気的な減速トルクの方が大きくなって、ロータ28は減速され、コンバータ5が発生する電圧に対する永久磁石式同期発電機3の誘起電圧の位相が減少する。この結果、永久磁石式同期発電機3からコンバータ5に向う電流は減少し、電磁気的にロータ28を減速させるトルクも減少し、発電電力が減少した新たな釣合い状態に達する。
When the driving torque of the
逆に、ガスタービン2の駆動トルクが増大すると、電気的な減速トルクに対してガスタービン2の駆動トルクの方が大きくなって、ロータ28は加速され、コンバータ5が発生する電圧に対する発電機の誘起電圧の位相が増大する。この結果、永久磁石式同期発電機3からコンバータ5に向う電流は増加し、電磁気的にロータ28に作用する減速トルクも増大して発電電力が増加した新たな釣合い状態に達する。
On the contrary, when the driving torque of the
このように、誘起電圧とコンバータ5が規定する端子電圧との位相差に応じて永久磁石式同期発電機3に加速トルクまたは減速トルクが電気的に発生する。これを同期化力と言い、コンバータ5が発生する電圧の周波数に対して、永久磁石式同期発電機3の回転数に偏差を発生させないように作用する。すなわち、ある定常状態に対して、コンバータ5で設定する発電機端子電圧の周波数を増減させることにより、ガスタービン2の動作回転数をそれに追従させて増減させることが可能となる。
Thus, acceleration torque or deceleration torque is electrically generated in the permanent magnet type
さらに、永久磁石式同期発電機3を駆動するガスタービン2のトルクが少ない場合には、永久磁石式同期発電機3の端子電圧に対して、永久磁石式同期発電機3の誘起電圧は位相が遅れることになり、発電時とは逆に端子から永久磁石式同期発電機3の方に電流が流れて永久磁石式同期発電機3は同期電動機3aとして動作し、回転を加速する方向に電気的なトルクが発生する。このようにして永久磁石式同期発電機3を同期電動機3aとして回す状態から、永久磁石式同期発電機3から電力を取出す状態まで、連続的に継ぎ目無く、回転を制御することが可能となる。このことによって、同一の出力状態の中で、最適な回転数を選定して運転することが可能となる。
Furthermore, when the torque of the
しかしながら、コンバータ5が発生する発電機端子電圧の周波数に永久磁石式同期発電機3を追従させる同期化力には限界があり、負荷6の変動に伴う急激な周波数変化には追従できなくなる。また、低い発電周波数で大きな電力を取出そうとすると、電気的に発生できるトルクの限界を超してガスタービン2の駆動トルクが作用し、やはり永久磁石式同期発電機3の回転数が端子電圧、周波数に追従できなくなる。このような現象を防ぐためには、設定された端子電圧、周波数に対応する回転数で発生可能な動力の範囲内に燃料を制御する、などして電力変換の制御とガスタービン2の制御とを連繋させなければならない。
However, there is a limit to the synchronization force that causes the permanent
本実施の形態のタービン発電装置1では、最小信号選択回路51によって、運転時の燃料流量によるガスタービンの出力制御を行うように構成される。以下最小信号選択回路51によるガスタービン2の出力制御について説明する。
In the
最小信号選択回路51では、排ガス温度制御と負荷制御とによって定められる燃料流量のうち、最小(小さい方)の燃料流量が選択される。排ガス温度制御によって定められる燃料流量とは、ガスタービン2の排ガス温度EGTを検出し、検出排ガス温度EGTと、負荷6に応じたガスタービン回転数に対応して予め定められる設定排ガス温度のデータである排ガス温度設定マップ53から得られる設定排ガス温度SEGTとの偏差ΔT(=SEGT−EGT)が、零(0)になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量である。偏差ΔTは、検出排ガス温度EGTの信号と設定排ガス温度SEGTの信号とを減算器54へ入力することによって演算され、偏差ΔTを0にする制御信号は、PID制御回路55よって得られる。なお、負荷6に応じたガスタービン回転数とは、前述のタービン速度設定マップ50から得られるガスタービン回転数であり、前述の排ガス温度設定マップ53もメモリに予めストアされる。
The minimum
また負荷制御によって定められる燃料流量とは、コンバータ5からインバータ7に対して出力される直流部37の電圧Vdcを検出し、予め定める電圧設定値Vs(本実施の形態ではDC360V)に対する検出電圧値Vdcの偏差ΔV(=Vs−Vdc)が0になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量である。偏差ΔVは、電圧設定値Vsの信号と検出電圧値Vdcの信号とを減算器56へ入力することによって演算され、偏差ΔVを0にする制御信号は、PID制御回路57によって得られる。なお電圧設定値Vsの信号は、たとえば制御手段からの指示信号として与えることができる。
The fuel flow rate determined by the load control is a detected voltage value for a predetermined voltage set value Vs (DC 360 V in the present embodiment) by detecting the voltage Vdc of the
最小信号選択回路51において選択される最小燃料流量信号は、厳密にはガスタービン回転数の指示信号であるけれども、ガスタービン回転数の指示信号が、ガスコンプレッサコントローラ27に対して燃料投入指令信号として与えられ、ガスコンプレッサコントローラ27では、燃料投入指令信号を燃料インデックス49に対応させて供給するべき燃料流量として選択するので、最小信号選択回路51における選択信号も便宜上燃料流量として表記した。
Strictly speaking, the minimum fuel flow rate signal selected by the minimum
ガスコンプレッサコントローラ27によって選択された燃料供給量は、回転数指令信号としてガスコンプレッサ26に与えられ、ガスコンプレッサ26が、該回転数指令信号に従った燃料流量を燃焼器23へ供給してガスタービン21の回転数が制御される。
The fuel supply amount selected by the
しかしながら、このような燃料流量制御によっても、負荷6の急激な変動に対して、ガスタービン2の回転数、すなわち永久磁石式同期発電機3の発電出力を即時応答させることができず、応答速度が充分ではない。そこで本発明のタービン発電装置1では、負荷6の変動に対する永久磁石式同期発電機3の応答が充分でない場合であっても、系統8からインバータ7に給電することによって、インバータ7からの出力の高速制御を可能にしている。
However, even with such fuel flow control, the rotational speed of the
たとえば負荷6が増大したにも関わらず、ガスタービン2の回転数制御の追従が遅れた場合、直流部37の電圧Vdcは、負荷制御による設定電圧値Vs=DC360Vよりも低下する。しかしながら、系統8に接続される整流器10の設定電圧がDC340Vであるので、電圧センサ46によって検出される直流部37の電圧Vdcが、第1電圧値Vc1であるDC340V以下になると、系統8から昇圧トランス9および整流器10を経て直流部37に給電される。したがって、インバータ7に入力される直流電圧は、DC340Vを下回ることがない。
For example, when the follow-up of the rotational speed control of the
一方、負荷6が減少したにも関わらず、ガスタービン2の回転数制御の追従が遅れた場合、直流部37の電圧Vdcは、負荷制御による設定電圧値Vs=DC360Vよりも上昇することになる。しかしながら、電圧センサ46によって検出される直流部37の電圧Vdcが、第2電圧値Vc2であるDC400V(この電圧値は、たとえばインバータ7などの耐圧電圧などを基準に設定される)以上になると、トランジスタ48をONにして、電力を回生抵抗11へ供給し、回生抵抗11で電力を消費する。このことによって、インバータ7に入力される直流電圧は、第2電圧値Vc2であるDC400Vを上回ることがない。
On the other hand, when the follow-up of the rotational speed control of the
このように、タービン発電機4の出力に関わらず、インバータ7に対しては、常にDC340〜400Vの直流電圧が入力される。このことによって、負荷6の変動に対するインバータ7の出力応答の高速制御が可能になる。すなわち、タービン発電装置1では、たとえば制御手段に備えられる出力電圧・周波数設定手段60から出力される出力電圧・周波数指示信号と、インバータ7の出力を検出するインバータ出力センサ61からの検出信号とを、減算器62へ入力し、減算器62による演算結果である偏差を0にするようにPI制御回路63で制御し、その制御指示信号によってインバータ7の出力が制御される。このインバータ7の出力を制御する回路は、インバータ7に対して常にDC340〜400Vの直流電圧が入力されることによって、タービン発電機4の出力に依存することなく独立して実行することができるので、極めて高速の制御が可能になる。
Thus, regardless of the output of the
このタービン発電装置1は、負荷6の増大に対してタービン発電機4による発電電力が不足するときには系統8から給電を受け、負荷6の減少に対してタービン発電機4による発電電力が過剰になるときには余剰電力を回生抵抗11で消費して系統に戻すことがないので、系統8に対する保護装置を必要とせず、また出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を吸収するための電力蓄積要素も必要としない。
The
図3は、負荷の変動に対応する出力、電力およびVdcのタイミングチャートである。まず負荷6の変動を示す。図3では、負荷6が、時刻t1において増大し、その後時刻t1〜t2では一定値で推移し、時刻t2において減少する場合について例示する。
FIG. 3 is a timing chart of output, power, and Vdc corresponding to load fluctuations. First, the fluctuation of the
前述のようにタービン発電機4は、充分な応答性を有しないので、時刻t1における負荷6の急増に対応してその出力を急増させることができず、時刻t1から時刻t11にかけて漸増するにすぎない。負荷8の増大に対してタービン発電機4の出力が追従できないので、直流部37の電圧Vdcが低下するけれども、直流部37の電圧Vdcが第1電圧値Vc1に達すると、系統8から直流部37すなわちインバータ7に対して給電されるので、直流部37の電圧VdcがVc1よりも低下することなく、またインバータ7の出力が、負荷6の増大に対して高い応答性をもって追従する。
As described above, since the
タービン発電機4の出力が、時刻t1から時刻t11までの時間をかけて負荷6の増大に対応可能な出力まで増加すると、系統8からの給電が、時刻t1から時刻t11までかけて漸減し、時刻t11において給電停止する。直流部37の電圧Vdcも、時刻t11において所定の電圧値に復帰し、以降は安定する。
When the output of the
時刻t2において負荷6が急減すると、タービン発電機4は、時刻t2における負荷6の急減に対応してその出力を急減させることができず、時刻t2から時刻t22にかけて漸減するにすぎない。負荷8の減少に対してタービン発電機4の出力が追従できないので、直流部37の電圧Vdcが上昇するけれども、直流部37の電圧Vdcが第2電圧値Vc2に達すると、回生抵抗11に通電されて電力消費されるので、直流部37の電圧VdcがVc2よりも上昇することなく、またインバータ7の出力が、負荷6の減少に対して高い応答性をもって追従する。
When the
タービン発電機4の出力が、時刻t2から時刻t22までの時間をかけて負荷6の減少に対応可能な出力まで低下すると、回生抵抗11における電力消費が、時刻t2から時刻t22までかけて漸減し、時刻t22において回生抵抗11に対する通電が停止する。直流部37の電圧Vdcも、時刻t22において所定の電圧値に復帰し、以降は安定する。
When the output of the
図4は本発明の実施の第2の形態であるタービン発電装置70の構成を簡略化して示す系統図であり、図5は図4に示すタービン発電装置70の要部の回路を示す図である。本実施の形態のタービン発電装置70は、実施の第1形態のタービン発電装置1に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
FIG. 4 is a system diagram showing a simplified configuration of a
タービン発電装置70の特徴は、実施の第1形態のタービン発電装置1の整流器10に代えてPWMコンバータ71を用いることである。本実施の形態のPWMコンバータ71は、タービン発電機4に接続されるコンバータ5と基本構成を同じくし、系統8から入力される交流電力を直流電力に変換して直流部37へ出力する。系統8から直流部37への給電にPWMコンバータ71を用いることによって、一層高精度に電圧制御をすることが可能になる。
The characteristic of the
PWMコンバータ71は、双方向に電力変換可能に構成されるので、系統8から受電する電力を安定化するとともに、余分な電力を系統8へ戻す機能を有する。したがって、タービン発電装置70では、PWMコンバータ71を、系統8から受電する交流電力の直流化と電圧の安定化とのみに限定して動作させ、余剰電力を系統8へ戻さないようにすることを目的として、電流指令値が負の符号を持たないように指令値リミッタ72を設ける。
Since the
リミッタ72には、たとえば制御手段に備えられるDC電圧設定手段73からの設定電圧指示信号とPWMコンバータ71の出力電圧検出信号とを、減算器74で演算した結果が与えられる。リミッタ72からの出力信号は、PI制御回路75に与えられ、PI制御回路75は、リミッタ72からの出力信号に応答してPWMコンバータ71の動作指示信号を出力する。PWMコンバータ71は、PI制御回路75からの動作指示信号に従って、前述の直流化と電圧の安定化とのみに限定して動作するように制御される。
The limiter 72 is given, for example, a result obtained by calculating the set voltage instruction signal from the DC voltage setting means 73 provided in the control means and the output voltage detection signal of the
なお、指令値リミッタ72を設けることによって、負の電流を流すことができなくなるけれども、この負の電流を流せないことに起因する電圧上昇は、抵抗器での電力消費またはガスタービン2の回転数指令を上昇させるなど、タービン発電装置70をエネルギ吸収装置として利用することによって解消される。
In addition, although it becomes impossible to flow a negative current by providing the command value limiter 72, the voltage rise caused by the fact that the negative current cannot flow is caused by the power consumption in the resistor or the rotation speed of the
本実施の形態のタービン発電装置70は、実施の第1形態のタービン発電装置1と同様の効果を奏することができ、また系統8から直流部37への給電開始の基準電圧値である第1電圧値Vc1を、負荷制御の設定電圧値Vsと同一のDC360Vに設定することによって、タービン発電機4と系統8とによる給電の負荷分担をすることが可能になる。
The turbine
1,70 タービン発電装置
2 ガスタービン
3 永久磁石式同期発電機
4 タービン発電機
5 コンバータ
6 負荷
7 インバータ
8 交流連系系統
9 昇圧トランス
10 整流器
11 回生抵抗
21 タービン
22 空気圧縮機
23 燃焼器
24 燃料源
25 遮断弁
26 ガスコンプレッサ
27 ガスコンプレッサコントローラ
71 PWMコンバータ
72 リミッタ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
(b)タービン発電機に接続されるコンバータと、
(c)コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
(d)交流連系系統に接続される変圧手段と、
(e)変圧手段とインバータとの間に接続される整流手段と、
(f)コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
(g)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下の状態では、変圧手段および整流手段を介して交流連系系統からインバータに給電し、
(h)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置。 (A) a turbine generator in which a permanent magnet synchronous generator is connected to a gas turbine whose output can be controlled by a fuel flow rate;
(B) a converter connected to the turbine generator;
(C) an inverter connected between the converter and the load;
(D) transforming means connected to the AC interconnection system;
(E) rectifying means connected between the transformer means and the inverter;
(F) including a regenerative resistor connected to a direct current part that is an output part from the converter,
(G) In a state where the voltage fed from the turbine generator to the inverter via the converter is equal to or lower than the first voltage value determined in advance, the inverter is fed from the AC interconnection system via the transformer means and the rectifier means,
(H) A turbine power generator configured to consume surplus power by a regenerative resistor when a voltage fed from a turbine generator to an inverter via a converter is equal to or higher than a predetermined second voltage value. apparatus.
(b)タービン発電機に接続されるコンバータと、
(c)コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
(d)交流連系系統とインバータとの間に接続されるPWMコンバータと、
(e)PWMコンバータに接続され、PWMコンバータの出力方向を交流連系系統からインバータへ向う方向に制限するリミッタと、
(f)コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
(g)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下の状態では、PWMコンバータを介して交流連系系統からインバータに給電し、
(h)タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置。 (A) a turbine generator in which a permanent magnet synchronous generator is connected to a gas turbine whose output can be controlled by a fuel flow rate;
(B) a converter connected to the turbine generator;
(C) an inverter connected between the converter and the load;
(D) a PWM converter connected between the AC interconnection system and the inverter;
(E) a limiter that is connected to the PWM converter and limits the output direction of the PWM converter to a direction from the AC interconnection system to the inverter;
(F) including a regenerative resistor connected to a direct current part that is an output part from the converter,
(G) In a state where the voltage supplied from the turbine generator to the inverter via the converter is equal to or lower than the first voltage value determined in advance, the inverter is supplied from the AC interconnection system via the PWM converter,
(H) Turbine power generation configured to consume surplus power by regenerative resistance in a state where the voltage fed from the turbine generator through the converter to the inverter is equal to or higher than a predetermined second voltage value apparatus.
ガスタービンに永久磁石式同期発電機が連結されて成るタービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第1電圧値以下のとき、交流連系系統からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第2電圧値以上のとき、回生抵抗で余剰電力を消費することによって、
インバータに入力される電圧を、第1電圧値を超え、第2電圧値未満の範囲になるように制御することを特徴とするタービン発電装置の自立運転方法。 A permanent magnet type synchronous generator connected to a gas turbine whose output can be controlled by the fuel flow rate is driven to generate power, the generated power is converted to DC power by a converter, and the DC power output from the converter is further converted to AC by an inverter. In the self-sustaining operation method of the turbine power generator that converts power into electric power and supplies the load,
When the voltage supplied to the inverter through the converter from the turbine generator in which the permanent magnet type synchronous generator is connected to the gas turbine is equal to or lower than a predetermined first voltage value, the inverter is supplied from the AC interconnection system, When the voltage supplied to the inverter from the turbine generator through the converter is equal to or higher than a predetermined second voltage value, by consuming excess power with the regenerative resistor,
A self-sustaining operation method for a turbine generator, wherein the voltage input to the inverter is controlled to be in a range exceeding the first voltage value and less than the second voltage value.
起動時には、
予め定められるガスタービンに対する投入燃料流量と回転数との関係に基づいて、ガスタービンが所定の回転数になるような燃料流量を投入し、
起動後の運転時には、
ガスタービンの排ガス温度EGTを検出し、予め負荷の大きさに対応して定められるガスタービン回転数および該ガスタービン回転数に対応するように予め定められる設定排ガス温度SEGTと、検出排ガス温度EGTとの偏差ΔT(=SEGT−EGT)が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量と、
コンバータからインバータに対して出力される直流部の電圧Vdcを検出し、予め定める電圧設定値Vsに対する検出電圧値Vdcの偏差ΔV(=Vs−Vdc)が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量とのうち、
いずれか少ない方の燃料流量になるように選択することによって行われることを特徴とする請求項3記載のタービン発電装置の自立運転方法。
The output control of the gas turbine by the fuel flow rate is
At startup,
Based on a predetermined relationship between the fuel flow rate and the rotational speed of the gas turbine, the fuel flow rate is charged so that the gas turbine has a predetermined rotational speed.
When driving after startup,
The exhaust gas temperature EGT of the gas turbine is detected, the gas turbine rotation speed determined in advance corresponding to the magnitude of the load, the set exhaust gas temperature SEGT predetermined to correspond to the gas turbine rotation speed, and the detected exhaust gas temperature EGT The fuel flow rate necessary for changing the rotational speed so that the deviation ΔT (= SEGT−EGT) of
DC voltage Vdc output from the converter to the inverter is detected, and the rotational speed is changed so that the deviation ΔV (= Vs−Vdc) of the detected voltage value Vdc with respect to the predetermined voltage setting value Vs becomes zero. Of the fuel flow required for
The self-sustained operation method for a turbine power generator according to claim 3, wherein the self-sustained operation method is performed by selecting a smaller fuel flow rate.
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