JP2009002266A

JP2009002266A - 火力発電プラントの負荷制御装置

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Publication number: JP2009002266A
Application number: JP2007165085A
Authority: JP
Inventors: Shuntaro Suzuki; 俊太郎鈴木; Hisanori Nukumi; 寿範温見
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: JP4905835B2

Abstract

【課題】既存の制御ロジックをほとんど変更することなく、かつ制御対象の応答特性を同定することなく、２自由度制御に近い高い応答性を実現することができる火力発電プラントの負荷制御装置を提供する。
【解決手段】要求電力Ａに応答してこれに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御する火力発電プラントの負荷制御装置。圧力一定制御又は温度一定制御を行いながら目標電力Ｃに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御するプラント制御装置Ｐと、要求電力Ａに修正を加えた修正要求電力Ａ１を出力する周波数応答改善フィルタＦ１と、要求電力Ａと電力出力Ｂの差ｄＢ＝Ａ−Ｂに所定の係数Ｋを積算して目標電力補正値Ｄとし、これを修正要求電力Ａ１に加算して前記目標電力Ｃとするフィードバック回路１０とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、石炭、重油等を燃料とする火力発電プラントの負荷制御装置に関する。

石炭、重油等を燃料とする火力発電プラントは、図１に模式的に示すように、ボイラ、ガバナ、蒸気タービン、発電機等を備え、ボイラによって蒸気を発生させ、蒸気タービンを回転させて発電する。
電力の負荷変化に応答して発電出力を変化させるには、ガバナによって蒸気タービンへ流れる蒸気流量を変化させ、かつ燃料流量及び給水量を変化させて発生する蒸気量を変化させる。

従来、火力発電プラントは、電力の安定供給を主目的としており、負荷変化への応答性の要求は少なかった。そのため、従来の火力発電プラントの負荷制御は、プラント機器の耐久性を考慮し、蒸気圧力や蒸気温度を一定範囲内に保つ制御が主に行われていた。

しかし、近年、電力需要の変動に対応して、火力発電プラントであっても、負荷変化に対する応答性が求められている。
そこで、火力発電プラントの応答性を高める手段として、種々の提案がされている（例えば、特許文献１、２）。
また、特許文献３は、本発明に関連する先行技術である。

特許文献１の「発電プラント制御装置」は、中央給電所からの送電出力指令または送電出力パターンに対する、発電プラントの応答遅れによる送電出力余剰，不足による運転コスト増加を低減することを目的とする。
そのためこの発明において、図１６に示すように、発電プラント制御装置５１は、中央給電所５９からの送電出力指令または送電出力パターン６０と送電出力検出器５８からの送電出力信号６１との偏差を演算する。偏差信号６２を演算器５４にて積分し、入力装置５３では、この積分結果にて送電出力指令または送電出力パターン６０を修正する。比例演算器５２では、送電出力指令または送電出力パターン６０と送電出力信号６１との偏差を演算し発電機出力指令信号５５を作成し、発電プラント５０を制御するものである。

図２は、特許文献１の制御を模式的に示す制御ブロック図である。この図に示すように、火力発電プラントの応答特性を向上させる手段として、特許文献１では制御対象モデルを使用しないフィードバック制御のみが用いられている。
しかし、フィードバック制御の特徴として、制御結果（火力発電プラントにおいては発電量）が得られてから制御を行うため、主に応答遅れからなる火力発電プラントの応答性向上手段としては不十分である。

特許文献２の「蒸気タービンの負荷制御装置」は、蒸気タービンの負荷制御装置の制御特性を安定化し、応答性を改善することを目的とする。
そのためこの発明では、図１７に示すように、電気ガバナを有する発電用蒸気タービンの負荷制御装置において、目標負荷と負荷変化率とから定まる指令値を演算するデジタル設定システム７３と、この指令値と発電機５の出力とを比較して制御偏差信号を得る減算器７４と、この制御偏差信号に応じて、蒸気加減弁やインターセプト弁の開度を制御するための開度設定信号を得る関数発生器７５と、再熱器又は湿分分離加熱器による中・低圧タービンの応答遅れを補償するための進み・遅れ補償装置７６を備えたものである。

図３は、特許文献２の制御を模式的に示す制御ブロック図である。この図に示すように、特許文献２では偏差に進み補償（位相を進めることで応答遅れを補償する）を加えているが、この方法でも応答遅れの大きな火力発電プラントには不十分である。
また、フィードバックゲインを上げることで応答性を高めることは可能であるが、オーバーシュートや発散する可能性がある。

特許文献３の「内燃機関の制御装置」は、内燃機関を制御する各種のアプリケーションに対して、実際のトルクの応答時間のパラメータを共通化することができるようにすることを目的とする。
そのためこの発明では、図１８に示すように、ＩＳＣ、クルーズコントロール、トラクションコントロール、ＡＴ−ＥＣＵ、ＡＢＳ−ＥＣＵ等によって設定された各目標トルクの中から、アプリケーション選択手段８１によって最終的な目標トルクを選択し、この目標トルクに応じたアクチュエータ指令値（目標スロットル開度）を出力制御手段８２からエンジン８０に出力して、エンジン８０の出力トルクを目標トルクと一致させるように吸入空気量を制御する。出力制御手段８２は、目標トルクを目標吸入空気量に換算し、この目標吸入空気量を空気応答遅れ補償手段（吸気系モデルの逆モデルとスロットルモデルの逆モデル）によって応答遅れ補償することで目標スロットル開度を決定するものである。

図４は、特許文献３の制御を模式的に示す制御ブロック図である。特許文献３の制御は、２自由度制御であり、内燃機関の吸気系モデルおよびスロットルモデルを同定したうえで、その逆モデルを制御設計に使用している。

特開２００５−１１０３８２号公報、「発電プラント制御装置」特開平７−２２４６１０号公報、「蒸気タービンの負荷制御装置」特開２００６−７０７０１号公報、「内燃機関の制御装置」

火力発電プラントは、特性の異なる複数の蒸気タービンで発電し、圧力一定制御や温度一定制御などを行っているため、その発電応答特性を１つの伝達関数で表現することは困難である。また、燃料の質や気温などの外部条件によっても発電応答特性が異なるため、常に同じ伝達関数で表すことは不可能である。

特許文献３で適用している２自由度制御の一般的な制御ブロック図を図５に示す。この図において、Ｐは制御対象の応答特性を示す伝達関数、Ｆは目標値応答を指定する伝達関数、Ｋはフィードバック特性を指定する伝達関数である。２自由度制御では目標値応答を改善するフィードフォワード制御と、モデル化誤差や外乱の影響を軽減するフィードバック制御を独立して実現することができ、高い応答性が実現できる特徴がある。

しかし、２自由度制御では、この図で１／Ｐで示す制御対象の逆応答特性、すなわち制御対象の応答特性が十分に同定できる必要がある。そのため、本発明が対象とする火力発電プラントのように構成機器が多く、制御対象のモデル化が困難な場合には適用できない問題点があった。

また、本発明が対象とする火力発電プラントでは、プラント機器の耐久性から、蒸気の圧力や温度を一定範囲内に保つ必要があり、既存の制御ロジックを大幅には変更できない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、既存の制御ロジックをほとんど変更することなく、かつ制御対象の応答特性を同定することなく、２自由度制御に近い高い応答性を実現することができる火力発電プラントの負荷制御装置を提供することにある。

本発明によれば、要求電力Ａに応答してこれに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御する火力発電プラントの負荷制御装置であって、
圧力一定制御又は温度一定制御を行いながら目標電力Ｃに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御するプラント制御装置Ｐと、
要求電力Ａに修正を加えた修正要求電力Ａ１を出力する周波数応答改善フィルタＦ１と、
前記要求電力Ａと電力出力Ｂの差ｄＢ＝Ａ−Ｂに所定の係数Ｋを積算して目標電力補正値Ｄとし、これを修正要求電力Ａ１に加算して前記目標電力Ｃとするフィードバック回路とを備えた、ことを特徴とする火力発電プラントの負荷制御装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記修正要求電力Ａ１は、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔに応じて要求電力Ａに所定のゲインＧを乗じる。

また、前記ゲインＧは、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔが、所定の第１閾値より小さいときに１倍であり、前記第１閾値を超えると急増し、所定の最大値に達すると一定を維持し、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔが所定の第２閾値を超えると漸減するように設定されている、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、圧力一定制御又は温度一定制御を行いながら目標電力Ｃに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御するプラント制御装置Ｐを備えるので、既存の制御ロジックによる発電応答を決定された応答特性とみなしてそのまま適用することができる。

また、要求電力Ａと電力出力Ｂの差ｄＢ＝Ａ−Ｂに所定の係数Ｋを積算して目標電力補正値Ｄとし、これを修正要求電力Ａ１に加算して目標電力Ｃとするフィードバック回路を備えるので、モデル化誤差や外乱の影響を軽減するフィードバック制御を実現することができる。

さらに、要求電力Ａに修正を加えた修正要求電力Ａ１を出力する周波数応答改善フィルタＦ１を備え、好ましくは、修正要求電力Ａ１として、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔに応じて要求電力Ａに所定のゲインＧを乗じるので、目標値応答を改善するフィードフォワード制御を独立に実現することができる。

すなわち、本発明のポイントは、制御対象の逆モデルを用いる代わりに電力の負荷変化に相当する周波数を改善するフィルタＦ１を使用した点にある。
この構成により、フィードフォワード制御が行われ、応答遅れをより改善できる。
また、想定される要求負荷変化の周波数に基づいて設計されるため、厳密なモデル同定を必要としない。また、ゲインをどのくらいにするかは、必要とされる応答改善の度合いによって異なるが、これを任意に設定することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。

図６は、本発明による火力発電プラントの負荷制御装置の第１実施形態を示す制御ブロック図である。
本発明の火力発電プラントの負荷制御装置は、要求電力Ａに応答してこれに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御する制御装置である。

この図において、本発明の制御装置は、プラント制御装置Ｐ、周波数応答改善フィルタＦ１、及びフィードバック回路１０を備える。

プラント制御装置Ｐは、圧力一定制御又は温度一定制御を行いながら目標電力Ｃに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御する。このプラント制御装置Ｐには、発電プラントを制御する既存の制御ロジックをそのまま用いることができる。

周波数応答改善フィルタＦ１（以下、単に「フィルタ」と呼ぶ）は、要求電力Ａに修正を加えた修正要求電力Ａ１を出力する。修正要求電力Ａ１は、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔに応じて要求電力Ａに所定のゲインＧを加算する。

フィードバック回路１０は、引出点１１、加算点１２、積算関数１３、及び加算点１４からなり、要求電力Ａと電力出力Ｂの差ｄＢ＝Ａ−Ｂに所定の係数Ｋを積算して目標電力補正値Ｄとし、これを修正要求電力Ａ１に加算して目標電力Ｃとするようになっている。

図６において、目標値応答関数Ｆは、電力負荷に高周波成分を含む場合に高周波成分を除去するフィルタとして付加するのが好ましい。しかし、要求電力Ａ（以下、「電力負荷」とも呼ぶ）は中央給電所からの送電要求パターンであり、ノイズなどの高周波成分を含まず、レートリミット処理などを行うため、通常は不要である。

図７は、フィルタＦ１の周波数−ゲイン特性を示す図である。
この図において、ゲインＧは、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔ（周波数）が、所定の第１閾値ａ１より小さいときに１倍であり、第１閾値ａ１を超えると急増し、所定の最大値Ｇ１倍に達すると一定を維持し、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔが所定の第２閾値ａ２を超えると漸減するように設定されている
なお、上述したように、要求電力Ａ（電力負荷）は、ノイズなどの高周波成分を含まず、レートリミット処理などを行うため、基本的には実線の応答特性で十分であり、電力負荷に高周波成分を含む場合のみ、点線に示す応答特性を設定するものとする。
なお、フィルタＦ１はこの構成に限定されず、後述する実施例に示す周波数応答改善フィルタを用いてもよい。

図８に、本発明による制御例を示す図である。この例では、火力発電シミュレーションモデルに対し、中央給電所からの送電要求パターン（Ａ）を模擬した電力負荷変化を与えるものとする。
また、（Ｂ）は負荷制御装置の一般的な制御ブロック図である。この図において、ＦＸは制御装置であり、（１）目標値整形による補正を行わない場合、（２）フィードバック制御のみ、（３）偏差に進み補償をかけたフィードバック制御、（４）本発明によるフィードフォワード制御を加えた２自由度制御の電力偏差を計測した。

図９は、図８の制御例による電力偏差の比較図である。
この図から、２自由度制御に用いたフィードバック制御ゲインには（３）の進み補償と同じものを使用しているので、フィードフォワード制御部分によって応答遅れが大きく改善されることがわかる。

図１０は、本発明による負荷制御装置の第２実施形態を示す制御ブロック図である。
図１０において、周波数応答改善フィルタＦ１は、要求電力Ａの高周波成分のみを通すハイパスフィルタＨＦと、通過した高周波成分を要求電力Ａに加算するための加算点１５からなる。
この構成により、図に点線枠で示す部分を先行入力回路としてまとめることができ、過度な応答を回避するためのリミットやレートリミットなどを付加することで、より実用的な制御を行うことが可能となる。
なお、図１０の制御ブロック図は、図６と等価であり、同じ機能を有する。

図１１は、本発明による負荷制御装置の第３実施形態を示す制御ブロック図である。
この制御ブロック図も、図６と等価であり、同じ機能を有する。

以下、本発明の実施例を説明する。

火力発電シミュレーションモデルが、従来は１％Ｌ／分の電力負荷要求に追従しており新たに３％Ｌ／分に追従可能となるように応答性を改善するものとする。
ここで％Ｌとは、定格負荷の何％かを示す単位である。さらに、電力負荷要求の変化量を１０％Ｌとする。

１％Ｌ／分で１０％Ｌ出力を変化するには６００秒、３％Ｌ／分で１０％Ｌ出力を変化するには２００秒を要する。
よって、このような応答性の改善を実現するには、１％Ｌ／分・６００秒の入力変化へのゲインが１倍に近く、３％Ｌ／分・２００秒の入力変化へのゲインが高いフィルタを周波数応答改善フィルタとすればよい。

図１２は、周波数応答改善フィルタのボード線図である。ゲインの単位には、ｄＢ（デシベル）を使用している。
例えば、数１に式（１）〜式（３）に示す３つの伝達関数のボード線図は、この図に示すように応答する周波数成分のみが異なる。

図１３は、３つの伝達関数における入力変化に対する応答を示す図である。
１％Ｌ／分・６００秒および３％Ｌ／分・２００秒の入力変化に対する応答はこの図に示すように大きく異なる。
またこの３つの応答の中では、Ｆ１ｂが妥当であることがわかる。２００秒（５＊１０^−３Ｈｚ）までのゲインが高く、その後ゲインが１倍（０ｄｂ）に向かって減少しているからである。

伝達関数を周波数応答改善フィルタには、数２の式（４）のような、２次以上の伝達関数を用いてもよい。

図１４は、負荷制御装置の第４実施形態を示す制御ブロック図である。
オーバーシュートを回避するため、この図に示すような電力負荷目標値をリミット値とした上下限リミットを設けてもよい。

図１５は、周波数応答改善フィルタとゲイン１のフィードバックゲインを加えた電力負荷目標値を適用した電力出力例である。周波数応答改善フィルタとゲイン１のフィードバックゲインを加えた電力負荷目標値を適用することによって、この図に示すように電力出力の改善が期待できる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

火力発電プラントの模式図である。特許文献１の制御を模式的に示す制御ブロック図である。特許文献２の制御を模式的に示す制御ブロック図である。特許文献３の制御を模式的に示す制御ブロック図である。２自由度制御の一般的な制御ブロック図である。本発明による火力発電プラントの負荷制御装置の第１実施形態を示す制御ブロック図である。フィルタＦ１の周波数−ゲイン特性を示す図である。本発明による制御例を示す図である。制御例による電力偏差の比較図である。本発明による負荷制御装置の第２実施形態を示す制御ブロック図である。本発明による負荷制御装置の第３実施形態を示す制御ブロック図である。周波数応答改善フィルタのボード線図である。３つの伝達関数における入力変化に対する応答を示す図である。負荷制御装置の第４実施形態を示す制御ブロック図である。周波数応答改善フィルタとゲイン１のフィードバックゲインを加えた電力負荷目標値を適用した電力出力例である。特許文献１の「発電プラント制御装置」の構成図である。特許文献２の「蒸気タービンの負荷制御装置」の構成図である。特許文献３の「内燃機関の制御装置」の構成図である。

符号の説明

Ａ要求電力、Ａ１修正要求電力、ｄＡ／ｄｔ変化速度、
Ｂ電力出力、Ｃ目標電力、Ｄ目標電力補正値、
Ｆ目標値応答関数、Ｆ１周波数応答改善フィルタ、
Ｇゲイン、ＨＦハイパスフィルタ、
Ｋ係数、Ｐプラント制御装置、
１０フィードバック回路、
１１引出点、１２加算点、
１３積算関数、１４加算点、
１５加算点、

Claims

要求電力Ａに応答してこれに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御する火力発電プラントの負荷制御装置であって、
圧力一定制御又は温度一定制御を行いながら目標電力Ｃに相当する電力出力Ｂを出力するように発電プラントを制御するプラント制御装置Ｐと、
要求電力Ａに修正を加えた修正要求電力Ａ１を出力する周波数応答改善フィルタＦ１と、
前記要求電力Ａと電力出力Ｂの差ｄＢ＝Ａ−Ｂに所定の係数Ｋを積算して目標電力補正値Ｄとし、これを修正要求電力Ａ１に加算して前記目標電力Ｃとするフィードバック回路とを備えた、ことを特徴とする火力発電プラントの負荷制御装置。
前記修正要求電力Ａ１は、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔに応じて要求電力Ａに所定のゲインＧを乗じる、ことを特徴とする請求項１に記載の火力発電プラントの負荷制御装置。
前記ゲインＧは、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔが、所定の第１閾値より小さいときに１倍であり、前記第１閾値を超えると急増し、所定の最大値に達すると一定を維持し、要求電力Ａの変化速度ｄＡ／ｄｔが所定の第２閾値を超えると漸減するように設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の火力発電プラントの負荷制御装置。