JP2009197637A - ガバナフリー制御装置およびガバナフリー制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバインドサイクル発電プラントにおいてガバナフリー制御を活用すること。
【解決手段】蒸気タービンにおいてガバナフリー制御を行うとともに、出力目標値４に蒸気タービン出力のガバナフリー変動分５を補正量として加算した値を補正後の出力目標値６としてＰＩ制御を行う。補正量算出部１００は、ガバナフリーによる蒸気加減弁の変動に、コンバインドサイクル発電プラント全体の電気的出力７から推定した蒸気タービン出力推定値を乗じ、蒸気タービンの出力応動特性を考慮して出力目標値の補正量５を算出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、コンバインドサイクル発電プラントのガバナフリー制御を行うガバナフリー制御装置およびガバナフリー制御方法に関し、特に、ガスタービン制御と協調のとれたガバナフリー制御によって電力系統の周波数変動を抑制し、もって電力品質を向上することができるガバナフリー制御装置およびガバナフリー制御方法に関するものである。

発電効率が高いことや建設工期が短いことなどから、新設火力発電プラントとしてコンバインドサイクル発電プラント（ガスタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービンを組み合わせた高効率な発電方式）の導入が増えている。

通常、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンにはガバナフリー制御を持たせているが、燃焼の安定性やガスタービン寿命の消費などの面から、制御信号の変化率や変化幅を制限したり（特許文献１〜３参照）、ロードリミット運転とする（ガバナフリー運転をしない）場合が少なくない。また、ガバナフリー運転の場合でも、最大出力で運転する場合においては、排ガス温度を許容上限内に収めるよう一定出力で運転するため、実質的にロードリミット運転と同じとなる。

また、コンバインドサイクル発電プラントの蒸気タービンは、蒸気加減弁を全開としてガバナフリー制御を行わない（出力制御自体を行わない）のが一般的である。

特開昭６３−９０６０６号公報 特開平８−２１８８９７号公報 特開２００３−１４８１７０号公報

このため、今後コンバインドサイクル発電プラントの導入がさらに増加すると、従来と比較してガバナフリー量が減少し、電力系統の周波数変動が増大する方向となる。

これを抑制する方法として、蒸気タービンの蒸気加減弁を制御することによりガバナフリー制御を実施する方法があるが（特開昭５７−８３８２１）、単純に蒸気タービンの蒸気加減弁を回転数偏差に応じて開閉した場合には、ガスタービン制御とうまく協調がとれず不具合が生じるという問題がある。

すなわち、通常コンバインドサイクル発電プラントの出力制御は、ガスタービンのみで行われ、コンバインドサイクル発電プラント全体の出力が出力目標値と一致するようにガスタービン出力が調整される。このとき従来の制御のままであると、コンバインドサイクル発電プラント全体の出力と出力目標値が一致するように、ガバナフリー制御によって変化した蒸気タービン出力の変化分を打ち消すようにガスタービン出力が調整され、結果としてコンバインドサイクル発電プラント全体の出力にガバナフリーの効果が現れないという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、ガスタービン制御と協調のとれたガバナフリー制御によって電力系統の周波数変動を抑制し、もって電力品質を向上することができるガバナフリー制御装置およびガバナフリー制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に係る発明は、コンバインドサイクル発電プラントのガバナフリー制御を行うガバナフリー制御装置であって、蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を発電機の回転数偏差に基づいて制御する蒸気加減弁開閉制御手段と、前記蒸気加減弁開閉制御手段による制御に起因して生じる蒸気タービン出力の変動分を補正量として算出する補正量算出手段と、前記補正量算出手段により算出された補正量をコンバインドサイクル発電プラントの出力目標値に加算した値に基づいて負荷速度制御指令を算出する負荷速度制御指令算出手段とを備えたことを特徴とする。

この請求項１の発明によれば、蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を発電機の回転数偏差に基づいて制御し、この制御に起因して生じる蒸気タービン出力の変動分を補正量として算出し、算出した補正量をコンバインドサイクル発電プラントの出力目標値に加算した値に基づいて負荷速度制御指令を算出するよう構成したので、ガスタービン制御と協調のとれたガバナフリー制御によって電力系統の周波数変動を抑制することができる。

また、請求項２に係る発明は、上記の発明において、前記補正量算出手段は、蒸気加減弁の変動に、コンバインドサイクル発電プラントの出力から推定した蒸気タービン出力推定値を乗じた値に蒸気タービンの出力応動特性を適用して補正量を算出することを特徴とする。

この請求項２の発明によれば、蒸気加減弁の変動に、コンバインドサイクル発電プラントの出力から推定した蒸気タービン出力推定値を乗じた値に蒸気タービンの出力応動特性を適用して補正量を算出するよう構成したので、ガバナフリー制御による蒸気タービン出力の変動量を適切に算出することができる。

また、請求項３に係る発明は、上記発明において、前記蒸気加減弁開閉制御手段は、不感帯、変化率制限、変化幅上限の少なくとも一つを設けて蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を制御することを特徴とする。

この請求項３の発明によれば、不感帯、変化率制限、変化幅上限の少なくとも一つを設けて蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を制御するよう構成したので、ガバナフリー制御が過度に動作することを防ぐことができる。

また、請求項４に係る発明は、コンバインドサイクル発電プラントのガバナフリー制御を行うガバナフリー制御方法であって、蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を発電機の回転数偏差に基づいて制御する蒸気加減弁開閉制御ステップと、前記蒸気加減弁開閉制御ステップによる制御に起因して生じる蒸気タービン出力の変動分を補正量として算出する補正量算出ステップと、前記補正量算出ステップにより算出された補正量をコンバインドサイクル発電プラントの出力目標値に加算した値に基づいて負荷速度制御指令を算出する負荷速度制御指令算出ステップとを含んだことを特徴とする。

この請求項４の発明によれば、蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を発電機の回転数偏差に基づいて制御し、この制御に起因して生じる蒸気タービン出力の変動分を補正量として算出し、算出した補正量をコンバインドサイクル発電プラントの出力目標値に加算した値に基づいて負荷速度制御指令を算出するよう構成したので、ガスタービン制御と協調のとれたガバナフリー制御によって電力系統の周波数変動を抑制することができる。

本発明によれば、電力系統の周波数変動を抑制するので、電力品質を向上することができるという効果を奏する。また、電力系統の周波数変動が抑制される分、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービン出力の変動が抑制され、ガスタービンの寿命を延伸することができるという効果を奏する。また、電力系統の周波数変動が抑制される分、他の火力発電プラントの負担も減り、他の火力発電プラントの寿命を延伸することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係るガバナフリー制御装置およびガバナフリー制御方法の好適な実施例を詳細に説明する。

まず、本実施例に係るガバナフリー制御装置の構成について説明する。図１は、本実施例に係るガバナフリー制御装置の構成を示す図である。このガバナフリー制御装置は、蒸気タービンの蒸気加減弁を発電機の回転数偏差に比例して開閉する。

すなわち、図１に示すように、このガバナフリー制御装置は、蒸気加減弁変動算出部７２により回転数偏差１０および調定率Ｒに基づいて算出される蒸気加減弁変動１４の符号を反転した変動量と、加減弁開度基準値１５とを加算器４５により加えて蒸気タービン加減弁開度指令１６とする。ここで、調定率Ｒは回転数偏差に対してどの程度加減弁開度を変化させるかを定める定数である。また、蒸気タービンへの熱応力を考慮し、蒸気タービン加減弁開度指令１６に対して不感帯や変化率制限、変化幅の上限を設けることもできる。

そして、このガバナフリー制御装置は、蒸気タービン出力がガバナフリー制御によって変化すると予想される変動分（ガバナフリー変動分）を見積り、ガスタービン制御側の出力目標値に加算するような補正を行う。

すなわち、図１に示すように、このガバナフリー制御装置は、加算器４２により出力目標値４に蒸気タービン出力のガバナフリー変動分５を補正量として加算した値を補正後の出力目標値６とする。この補正後の出力目標値６にコンバインドサイクル発電プラント全体の電気的出力７の符号を反転した値を加算器４３により加えた値がＰＩ制御部５０への入力信号８となる。

そして、このガバナフリー制御装置は、ＰＩ制御部５０が出力する操作量９に、変動量算出部７１により回転数偏差１０および調定率Ｒに基づいて算出される変動量１１の符号を反転した変動量を加算器４４により加えて負荷速度制御指令１２を生成する。生成された負荷速度制御指令１２は、ロードリミット信号、排ガス温度制御信号等の他の燃料制御指令とともに低値選択部６０に入力され、低値選択部６０は入力値の中で最も低い値をガスタービン燃料制御指令１３として選択する。

なお、出力目標値４は、中給（中央給電指令所）からの指令値１に電力系統の周波数偏差２に応じた補正量３を加算器４１により加えた値である。電力系統の周波数偏差２に応じた補正量３は電力系統の周波数偏差２に関数Ｆ（ｘ）３０を適用して生成される。また、蒸気タービン出力のガバナフリー変動分５、すなわち出力目標の補正量は補正量算出部１００によって算出される。

このように、出力目標値４に蒸気タービン出力のガバナフリー変動分５を補正量として加算した値を補正後の出力目標値６としてＰＩ制御を行うことによって、ガスタービン制御では蒸気タービンによるガバナフリー制御と干渉することがなく、ガスタービン制御と協調のとれたガバナフリー制御を実現することができる。

次に、補正量算出部１００について説明する。図２は、補正量算出部１００の構成を示す図である。この補正量算出部１００は、ガバナフリーによる蒸気加減弁の変動に、コンバインドサイクル発電プラント全体の電気的出力７から推定した蒸気タービン出力推定値を乗じ（蒸気圧力は蒸気タービン出力にほぼ比例するため、ガバナフリーによる出力変動も蒸気タービン出力にほぼ比例する）、蒸気タービンの出力応動特性（本例では進み遅れで表現）を考慮して出力目標値の補正量５を算出する。

すなわち、図２に示すように、補正量算出部１００は、蒸気加減弁変動算出部９１により回転数偏差１０および調定率Ｒに基づいて算出される蒸気加減弁変動の符号を反転した変動量８１と、コンバインドサイクル発電プラント全体の電気的出力７に関数Ｆ（ｘ）９２を適用して推定した蒸気タービン出力推定値８２とを乗算器９３により乗じた蒸気タービン出力変動推定値８３に蒸気タービンの出力応動特性９４を適用して出力目標値の補正量５を算出する。

このように、ガバナフリーによる蒸気加減弁の変動に、コンバインドサイクル発電プラント全体の電気的出力７から推定した蒸気タービン出力推定値を乗じ、蒸気タービンの出力応動特性を考慮することによって、出力目標値の補正量５を適切に算出することができる。

次に、本実施例に係るガバナフリー制御のシミュレーション結果について説明する。シミュレーションは、コンバインドサイクル発電プラントと従来の火力発電プラントが同程度の容量設置されているような電力系統を対象として行った。

なお、コンバインドサイクル発電プラント、従来の火力発電プラントのモデルは、次の文献を参考に作成した。
・Kakimoto, N.; Baba,“Performance of gas turbine-based plants during frequency drops”, Power Systems, IEEE Transactions on Volume18, Issue 3, Aug. 2003 Page(s):1110-1115
・CIGRE Technical Brochure “Modeling of gas turbines and steam turbines in combined-cycle power plants”, 2003
・天野博之 川口直樹 井上俊雄，”負荷周波数制御シミュレーション用火力プラントモデルの開発”，電力中央研究所 研究報告T03044（平成16年4月）

また、ガスタービンは、ロードリミット運転の場合を想定した。図３に示すように需要が変化した場合の電力系統の周波数や発電プラントの動きをシミュレーションした結果を図４に示す。本実施例に係るガバナフリー制御のシミュレーションの結果（図４の右）に加えて、比較として、蒸気タービンにおいてガバナフリー制御を行わなかった場合（図４の左）と、蒸気タービンにおいてガバナフリー制御を行うがガスタービン制御における出力目標値の補正を行わなかった場合（図４の真中）の結果も示す。

シミュレーション結果としては、周波数変動（上段）、コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＧＴ）と火力発電プラントの発電機出力（中段）、ガスタービン出力（ＧＴ出力）と蒸気タービン出力（ＳＴ出力）（下段）を示す。

また、図５に、周波数、コンバインドサイクル発電プラント出力（ＣＣＧＴ出力）、ガスタービン出力（ＧＴ出力）、蒸気タービン出力（ＳＴ出力）、他の火力機（火力発電プラント）の出力の各変化分の標準偏差を示す。図５で、ＧＦなしはガバナフリー制御を行わない場合を示し、ＧＦありはガバナフリー制御を行う場合を示す。

図４および５から、本実施例に係るガバナフリー制御の適用により周波数変動が抑制されており、火力発電プラントの出力の変動も抑制されていることが分かる。なお、ガスタービン制御における出力目標値の補正を行わなかった場合は、周波数変動の抑制効果はあまりないことが確認できる。これは、ガスタービン制御における出力目標値の補正を行わないと、ガスタービン制御において蒸気タービンがガバナフリー制御によって変動した分をガスタービンが打ち消すように変動してしまい、結局コンバインドサイクル発電プラントの出力はあまり変動しないためである。また、このとき、ガスタービンは蒸気タービンのガバナフリーなしの場合に比べて変動が増加してしまっているが、これは周波数変動の抑制に寄与しないものである。

一方、本実施例に係るガバナフリー制御では、蒸気タービンが変動するであろう分を予測し、ガスタービン制御における出力目標値を補正しており、ガスタービンの出力はほぼ一定となり、蒸気タービン出力の変動がコンバインドサイクル発電プラント出力の変動に反映され周波数変動の抑制に寄与していることが分かる。

このように、蒸気タービンにおいてガバナフリー制御を行う場合には、ガスタービン制御と協調した制御を行わないと周波数変動の抑制に効果がなく、また、ガスタービン出力の余計な変動を発生させてしまうことが分かる。

上述してきたように、本実施例では、蒸気タービンにおいてガバナフリー制御を行うとともに、出力目標値４に蒸気タービン出力のガバナフリー変動分５を補正量として加算した値を補正後の出力目標値６としてＰＩ制御を行うこととしたので、電力系統の周波数変動を抑制し、電力品質を向上することができる。

また、電力系統の周波数変動が抑制される分、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービン出力の変動が抑制され、ガスタービンの寿命を延伸することができる。また、電力系統の周波数変動が抑制される分、他の火力発電プラントの負担も減り、他の火力発電プラントの寿命を延伸することができる。

以上のように、本発明は電力系統の周波数変動抑制、また、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービン・他の火力発電プラントの負担軽減に有効であり、特にコンバインドサイクル発電プラントの導入率が高く、周波数が変動し易い電力系統に適している。

本実施例に係るガバナフリー制御装置の構成を示す図である。 補正量算出部の構成を示す図である。 シミュレーションにおいて想定した需要の変動を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 周波数変動、発電プラントの出力変動の標準偏差を示す図である。

符号の説明

１ 中給からの指令値
２ 電力系統の周波数偏差
３ 周波数偏差に応じた補正量
４ 出力目標値
５ 蒸気タービン出力のガバナフリー変動分（出力目標値の補正量）
６ 補正後の出力目標値
７ コンバインドサイクル発電プラント全体の電気的出力
８ ＰＩ制御部への入力信号
９ 操作量
１０ 回転数偏差
１１ 回転数偏差および調定率に基づく変動量
１２ 負荷速度制御指令
１３ ガスタービン燃料制御指令
１４ 蒸気加減弁変動
１５ 加減弁開度基準値
１６ 蒸気タービン加減弁開度指令
３０ 周波数偏差に応じた補正量を算出する関数Ｆ（ｘ）
４１，４２，４３，４４，４５ 加算器
５０ ＰＩ制御部
６０ 低値選択部
７１ 変動量算出部
７２，９１ 蒸気加減弁変動算出部
８１ 蒸気加減弁変動の符号を反転した変動量
８２ 蒸気タービン出力推定値
８３ 蒸気タービン出力変動推定値
９２ 蒸気タービン出力を推定する関数Ｆ（ｘ）
９３ 乗算器
９４ 蒸気タービンの出力応動特性
１００ 補正量算出部

Claims (4)

1. コンバインドサイクル発電プラントのガバナフリー制御を行うガバナフリー制御装置であって、
   蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を発電機の回転数偏差に基づいて制御する蒸気加減弁開閉制御手段と、
   前記蒸気加減弁開閉制御手段による制御に起因して生じる蒸気タービン出力の変動分を補正量として算出する補正量算出手段と、
   前記補正量算出手段により算出された補正量をコンバインドサイクル発電プラントの出力目標値に加算した値に基づいて負荷速度制御指令を算出する負荷速度制御指令算出手段と
   を備えたことを特徴とするガバナフリー制御装置。
2. 前記補正量算出手段は、蒸気加減弁の変動に、コンバインドサイクル発電プラントの出力から推定した蒸気タービン出力推定値を乗じた値に蒸気タービンの出力応動特性を適用して補正量を算出することを特徴とする請求項１に記載のガバナフリー制御装置。
3. 前記蒸気加減弁開閉制御手段は、不感帯、変化率制限、変化幅上限の少なくとも一つを設けて蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガバナフリー制御装置。
4. コンバインドサイクル発電プラントのガバナフリー制御を行うガバナフリー制御方法であって、
   蒸気タービンの蒸気加減弁の開閉を発電機の回転数偏差に基づいて制御する蒸気加減弁開閉制御ステップと、
   前記蒸気加減弁開閉制御ステップによる制御に起因して生じる蒸気タービン出力の変動分を補正量として算出する補正量算出ステップと、
   前記補正量算出ステップにより算出された補正量をコンバインドサイクル発電プラントの出力目標値に加算した値に基づいて負荷速度制御指令を算出する負荷速度制御指令算出ステップと
   を含んだことを特徴とするガバナフリー制御方法。

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