JP2014057510A - 火力発電プラントの動作方法および火力発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】慣性応答要素が無いことを克服し、送電規約の系統要件を満たすことのできる火力発電プラントの動作方法を提供する。
【解決手段】火力発電プラント（１０）の動作方法であって、該方法は、系統周波数（Ｆ_Ｇ）を検知するステップと、系統周波数（Ｆ_Ｇ）が偏位した場合に、付加慣性電力（ΔＰ）が必要か否かを検出するステップと、慣性電力（ΔＰ）が必要な場合に、付加慣性電力（ΔＰ）の大きさおよび継続時間を計算するステップと、計算に従って前記電子分離装置（１５）を介して、付加慣性電力（ΔＰ）を前記電力系統（１７）に供給するステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電プラントに関する。本発明は、請求項１の前段に記載の火力発電プラントの動作方法に関する。

図１において、火力発電プラント１０は、大型ガスタービン１２と、ガスタービン１２によりシャフト１４を介して直接駆動され、電子分離装置１５および従来型の昇圧トランス１６を介して電力系統１７に接続された発電機１３と、を備える。

電子分離装置１５によって、発電機１３の周波数は、ガスタービン１２および発電機１３の動作特性および耐用年数を改善するため、電力系統１７の系統周波数Ｆ_Ｇと異なるものとすることができる。

この系統周波数との分離によって、同期発電機を備える従来型の発電プラントにおけるように、この特定種の火力発電プラント１０は、系統周波数の変動に応じて慣性電力を固有に供給することができないこととなる。慣性応答が無い影響によって、電力系統における不安定性が増し、送電規約に定められた系統要件を満たさないことともなりうる。

文献ＵＳ２０１０／００３１６６７Ａ１には、ガスタービンと、ガスタービンにより直接駆動され、動作周波数で交流電流を出力する発電機とを備えるタービン軸系を含む発電プラントの動作方法が開示されている。発電機の出力は、所定の系統周波数の電力系統に接続されている。電子分離装置または可変電子ギアボックスが、発電機と系統との間に設けられており、この分離装置は、動作周波数を系統周波数から分離する。系統周波数がより長く継続して変化する場合でも、ガスタービンの機械的または空力的回転速度が一定に維持され、ガスタービンの出力が遅延なく調整されることによって、プラントの耐用年数の改善および排出物の低減が実現される。

文献ＵＳ２０１０／００３２９６４Ａ１には、ガスタービンと、ガスタービンにより直接駆動され、動作周波数で交流電流を出力する発電機とを備えるタービン軸系を含む発電プラントの動作方法が開示されている。発電機の出力は、所定の系統周波数を有する電力系統に接続されている。電子分離装置または可変電子ギアボックスが発電機と系統との間に設けられている。この分離装置は動作周波数を系統周波数から分離する。電力系統に一時的な周波数上昇または周波数低下が系統に生じた場合、ガスタービンの機械回転速度は、電力系統の周波数低下の間は系統周波数よりも大きく低減され、電力系統の周波数上昇の間は系統周波数よりも大きく増大される。

いずれの場合においても、慣性は、何の役割も果たさない。

ＵＳ２０１０／００３１６６７Ａ１ ＵＳ２０１０／００３２９６４Ａ１

本発明の課題は、慣性応答要素が無いことを克服し、送電規約の系統要件を満たすことのできる火力発電プラントの動作方法を提供することである。

上記課題は請求項１にかかる方法によって解決される。

本発明にかかる方法は、ガスタービンと、ガスタービンによりシャフトを介して直接駆動され、電子分離装置および昇圧トランスを介して系統周波数を有する電力系統に接続された発電機と、を備える火力発電プラントの動作方法について提供される。
本方法は、
系統周波数を検知するステップと、
系統周波数が偏位した場合に、付加慣性電力が必要か否かを検出するステップと、
慣性電力が必要な場合に、付加慣性電力の大きさおよび継続時間を計算するステップと、
計算に従って電子分離装置を介して、付加慣性電力を電力系統に供給するステップと、
を含む。

本発明の一実施形態では、検出ステップは、系統周波数の所定割合の変化および系統周波数の所定の周波数閾値に基づいている。

本発明の別の実施形態では、電子分離装置は短時間容量を有し、計算ステップにおいて、電子分離装置の短時間容量が、および／または、系統周波数の偏位の開始時における発電プラントの初期動作状態が考慮される。

本発明の他の実施形態では、電力供給ステップの間、有効慣性電力を、およびさらに、無効電力を電力系統に供給するために、設定値が電子分離装置に与えられる。

詳細には、系統周波数に関するまたはガスタービンのタービン速度に関する上限閾値または下限閾値が定められており、付加慣性電力は、上限閾値と下限閾値との間の系統周波数またはタービン速度に対して供給される。

より詳細には、付加慣性電力の供給は、ガスタービンの過速度または速度不足を回避するため、閾値を超えた直後に停止される。

さらにより詳細には、付加慣性電力の供給の停止の後、ガスタービンは定格速度または所定の過速度に戻り、ベース電力以上を供給する。

本発明の別の実施形態では、電子分離装置は、ＤＣリンクを有しないマトリクスコンバータである。

本発明について、添付図面を参照して、異なる実施形態によって以下でより詳細に説明する。

本発明にかかる方法のために用いることができる、ガスタービンおよび電子分離装置を備えた発電プラントの概略図を示す。 固有慣性応答を用いる典型的な従来型の発電プラントについての電力系統周波数Ｆ_Ｇにおける変化（曲線Ａ１）の結果としての、付加慣性電力ΔＰ（曲線Ｂ１）を示す。 慣性応答を用いない図１の非従来型の発電プラントについての電力系統周波数Ｆ_Ｇにおける変化（曲線Ａ２）の結果としての、付加慣性電力ΔＰ（曲線Ｂ２）を示す。 本発明の実施形態における慣性応答を用いる動作時の、図１の非従来型の発電プラントについての電力系統周波数Ｆ_Ｇにおける変化（曲線Ａ３）の結果としての、付加慣性電力ΔＰ（曲線Ｂ３）を示す。

図１には、ガスタービン１２と、電子分離装置１５と、発電機昇圧トランス１６とを備える火力発電プラント１０が、本発明の方法を実行するために適した構成の例として記載されている。

発電プラント１０は、ガスタービン１２（シャフト１４）に直接結合された発電機１３を備える。すなわち、発電機１３は、ガスタービン１２と同じ回転速度で回転する。しかし、発電機１３と電力系統１７との間には、発電機電気動作周波数を系統電気動作周波数Ｆ_Ｇから分離する電子分離装置１５が設けられている。電子分離装置１５は典型的にはＤＣリンクを有しないマトリクスコンバータであるが、これに限られない。かかるマトリクスの構成および機能は、たとえばＥＰ１１９９７９４Ａ２に記載されている。

発電機電気周波数の系統電気周波数Ｆ_Ｇからの分離によって、従来型発電プラントにおけるように、この種の発電プラントは、系統周波数の変動に応じて慣性電力を固有に供給できないこととなる。慣性応答が無いことの影響によって、電力系統における不安定性が増し、送電規約に定められる系統制約を満たさないことともなりうる。

図２は、固有慣性応答を用いる典型的な従来型の火力発電プラントについての電気系統周波数Ｆ_Ｇにおける変化の結果としての、付加慣性電力ΔＰを示す。系統周波数Ｆ_Ｇがｔ＝０で急峻に減少するとき（曲線Ａ１、傾き一定）、（同期）発電機は固有慣性によって、すぐに相当量の付加慣性電力ΔＰ（曲線Ｂ１）を供給し、これは次第に減少する。この慣性電力ΔＰは全体の電力システム状態に依存して所定期間の系統周波数Ｆ_Ｇにおける減少の抑制および反転に寄与する。

図３中、慣性応答を用いない図１の非従来型の発電プラントについての、図２に類似した電力系統周波数における変化（曲線Ａ２）の結果としての、付加慣性電力ΔＰ（曲線Ｂ２）が、破線にて示される。

本発明における動作方法は、図１における非従来型の火力発電プラント１０に関する慣性応答の欠如に対する解決策を与える。この方法は、合成慣性の考えを用いて、大きな系統周波数の変動の際に付加慣性電力を供給して、系統安定性をサポートするものである。この方法では、系統周波数Ｆ_Ｇは制御ユニット１１に接続された適切な検知手段１８によってモニタされまたは検知される。制御ユニット１１は電子分離装置１５およびガスタービン１２の動作を制御する。

本方法は、以下の段階またはステップを含む：
・検知ステップ−慣性電力の要否が自動的に検知される。検知は、系統周波数の所定割合の変化および周波数閾値に基づいている。
・慣性電力決定ステップ−決定ステップの間、必要な付加慣性電力ΔＰの大きさおよび継続時間が計算される。考慮が必要なプラントパラメタは、系統周波数の偏位開始時（図２〜４中のｔ＝０）における、電子分離装置１５の短時間容量および発電プラント１０の初期動作状態である。
・慣性電力供給ステップ−電子分離装置１５に、電力系統１７に対して有効慣性電力およびさらに無効電力を供給するために設定値が与えられる。

図４中、本方法による慣性応答モードでの動作時の、図１の非従来型の発電プラント１０についての電力系統周波数Ｆ_Ｇにおける変化の結果としての、付加慣性電力ΔＰに関する例が示される。

慣性電力が制御できることによって、本方法によれば、付加的に、系統周波数またはタービン速度の上限および下限閾値を定めることができる。これらの閾値の間で上述のように慣性応答が提供される。しかし、臨界閾値を超えるとすぐに、プラントはタービンの過速度または速度不足を避けるため、慣性電力の供給を停止することができる。

従来型のプラントは保護機能によりトリップされ、結果的に系統から切り離され、停電をもたらす場合もある。本発明における非従来型の火力発電プラントは、より広い系統周波数範囲で接続が維持可能であり、所定の周波数および速度で、施設により許容される最大の電力を送達できる。

慣性応答を停止した後、タービンは定格速度または所定の過速度にも戻ることができ、ベース電力以上を提供することができ、この場合、従来型の火力発電プラントではすでに切り離されている。これによって、系統オペレータには、この種の発電プラントにより電力供給される島系統における電力を均衡させるためのより多くの時間が与えられ、結果的に全体の停電は避けられる。

したがって、この新規な動作方法の利点は以下である：
・大きな周波数変動に対してのみ、付加慣性電力ΔＰが供給される。小さな周波数変動は慣性応答動作モードを作動させず、これはプラントの耐用年数の増加に役立つ。
・付加慣性電力ΔＰの大きさおよび継続時間は、系統送電規約に定められる要件を満たすように、電子分離装置１５に基づいて制御可能である。
・コンバータ（電子分離装置１５）のサイズの適切な設定および慣性電力の大きさおよび継続時間の制御の柔軟性によって、送電系統への補助サービスとして慣性応答を提供することができる。
・本方法に従って動作される火力発電プラントは、従来型のプラントの保護限度の外側でも動作可能であり、多量の電力を供給可能である。

１０ 発電プラント、 １１ 制御ユニット、 １２ ガスタービン、 １３ 発電機、 １４ シャフト、 １５ 電子分離装置、 １６ 発電機昇圧トランス、 １７ 系統、 １８ 検知手段、 ΔＰ 付加慣性電力、 ｔ 時間、 Ａ１〜Ａ３ 曲線、 Ｂ１〜Ｂ３ 曲線、 Ｆ_Ｇ 系統周波数

Claims (8)

1. ガスタービン（１２）と、
   前記ガスタービン（１２）によりシャフト（１４）を介して直接駆動され、電子分離装置（１５）および昇圧トランス（１６）を介して系統周波数（Ｆ_Ｇ）を有する電力系統（１７）に接続された発電機（１３）と、
   を備える火力発電プラント（１０）の動作方法であって、
   前記系統周波数（Ｆ_Ｇ）を検知するステップと、
   前記系統周波数（Ｆ_Ｇ）が偏位した場合に、付加慣性電力（ΔＰ）が必要か否かを検出するステップと、
   慣性電力（ΔＰ）が必要な場合に、前記付加慣性電力（ΔＰ）の大きさおよび継続時間を計算するステップと、
   前記計算に従って前記電子分離装置（１５）を介して、付加慣性電力（ΔＰ）を前記電力系統（１７）に供給するステップと、
   を含む、ことを特徴とする方法。
2. 前記検出ステップは、前記系統周波数（Ｆ_Ｇ）の所定割合の変化および前記系統周波数（Ｆ_Ｇ）の所定の周波数閾値に基づいている、請求項１記載の方法。
3. 前記電子分離装置（１５）は短時間容量を有し、前記計算ステップにおいて、前記電子分離装置（１５）の前記短時間容量が、および／または、前記系統周波数の偏位の開始時における発電プラントの初期動作状態が考慮される、請求項１記載の方法。
4. 前記電力供給ステップの間、有効慣性電力を、および、無効電力も前記電力系統（１７）に供給するために、設定値が前記電子分離装置（１５）に与えられる、請求項１記載の方法。
5. 前記系統周波数（Ｆ_Ｇ）に関するまたは前記ガスタービン（１２）のタービン速度に関する上限閾値または下限閾値が定められており、前記付加慣性電力（ΔＰ）は、前記系統周波数（Ｆ_Ｇ）またはタービン速度を前記上限閾値と前記下限閾値との間にするために供給される、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 付加慣性電力（ΔＰ）の供給は、前記ガスタービン（１２）の過速度または不足速度を回避するため、前記閾値を超えた直後に停止される、請求項５記載の方法。
7. 前記付加慣性電力（ΔＰ）の供給の停止の後、前記ガスタービンは定格速度または所定の過速度に戻り、ベース電力以上を供給する、請求項６記載の方法。
8. 前記電子分離装置（１５）は、ＤＣリンクを有しないマトリクスコンバータである、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。