JP2015027166A

JP2015027166A - 発電装置

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Publication number: JP2015027166A
Application number: JP2013154966A
Authority: JP
Inventors: 和隆道家; Kazutaka Doke
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-02-05

Abstract

【課題】ガスタービン発電機を主発電機とする場合において、従来よりも応答性に優れた発電出力の補償が可能な発電装置を提供する。
【解決手段】ガスタービンによって駆動され、負荷に電力を主出力Ｐｓとして供給する主発電機１と、二次電池を電源とし、出力端が主発電機１の出力端に接続されると共に負荷が要求する需用電力Ｐｊに対して主出力Ｐｓを補償するような補償出力Ｐｈを負荷に供給する副発電機２と、需用電力Ｐｊに応じた電力を供給させるように主発電機１及び副発電機２を制御する制御装置３とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置に関する。

発電機（主発電機）の出力を補償する装置として、例えば下記特許文献1に記載されたフライホイールがある。このフライホイールは、回転体の運動エネルギーとして主発電機の電力を蓄えたり、あるいは蓄えた主発電機の電力を放電する装置である。すなわち、このようなフライホイールは、主発電機の出力を補償するための副発電機として機能する。

一方、下記特許文献２に記載されているように、ガスタービンによって駆動される発電機（ガスタービン発電機）が周知である。このようなガスタービン発電機では、ガスタービンに対する燃料の供給量（燃焼器への噴射量）を調節することによって発電出力を調整する。また、このようなガスタービン発電機では、負荷変動に対して発電出力の十分な追従性を確保するために複数台を並列運転することが行われる。すなわち、このような複数台のガスタービン発電機からなる発電装置では、各ガスタービン発電機の運転タイミングを最適化することにより負荷変動に追従する。

特開２００７−２５９５８７号公報特開２０１２−４１８８９号公報

ところで、上記フライホイールは、主発電機の電力を回転体の運動エネルギーに変換することにより蓄電あるい放電するので、充放電の応答性に難がある。フライホイールの容量（規模）にも依るが、比較的容量が大きい大型のフライホイールの場合、自らの出力を定格出力に設定するために要する時間は数分である。すなわち、フライホイールを副発電機として用いた発電装置では、負荷の高速変動（例えば１分以内の変動）に対して主発電機の電力を十分に補償することが困難である。

一方、主発電機として上記ガスタービン発電機を用いた場合、副発電機の応答性が原因で台数が多くなるという問題がある。すなわち、副発電機の応答性が負荷変動に充分に追従できるものであれば、ガスタービン発電機の台数を削減することが可能となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ガスタービン発電機を主発電機とする場合において、従来よりも応答性に優れた発電出力の補償が可能な発電装置の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、ガスタービンによって駆動され、負荷に電力を主出力として供給する主発電機と、二次電池を電源とし、出力端が前記主発電機の出力端に接続されると共に前記負荷が要求する需用電力に対して前記主出力を補償するような補償出力を負荷に供給する副発電機と、前記需用電力に応じた電力を供給させるように前記主発電機及び前記副発電機を制御する制御装置とを具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記制御装置は、前記二次電池の充電状態をも加味して補償出力を設定する、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記充電状態は前記二次電池の充電率であり、制御装置は、前記充電率が所定のしきい値まで低下すると、補償出力の負荷への供給を停止する、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記制御装置は、上限値あるいは／及び下限値を設けることにより前記主出力を設定する、という手段を採用する。

第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記二次電池は、複数の電気二重層コンデンサの集合体である、という手段を採用する。

本発明によれば、ガスタービンによって駆動される主発電機の出力を二次電池を電源とする副発電機によって補償するので、従来のフライホイールを副発電機として用いる場合に比較して、負荷変動に対してより高速に応答することが可能である。したがって、例えば主発電機を複数並列に設けて負荷に電力を供給する場合において、主発電機の台数を従来よりも低減することが可能であり、もって装置コストを低減すると共にメンテナンスコストをも低減することが可能である。

本発明の一実施形態に係る発電装置Ａの全体構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る発電装置Ａの制御構成を示す制御ブロック図である。本発明の一実施形態に係る発電装置Ａの動作を示す特性図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る発電装置Ａは、図１に示すように、主発電機１、副発電機２及び制御装置３によって構成されている。この発電装置Ａは、制御装置３による制御の下で主発電機１及び副発電機２が発電することにより、主発電機１の出力（主出力Ｐｓ）と副発電機２の出力（補償出力Ｐｈ）との合計出力（総出力Ｐａ）を負荷に供給する。

なお、本実施形態における負荷については特に限定されるものではないが、一般的な電力系統あるいは特定の電力需要体である。負荷が電力系統の場合、発電装置Ａは、系統周波数５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電力（例えば単相交流あるいは三相交流）を総出力Ｐａとして負荷に供給する。一方、負荷が特定の電力需要体の場合には、当該電力需要体の仕様に即した周波数の交流電力を負荷に供給する。

主発電機１は、図示するように駆動装置としてのガスタービン１ａと、発電主体としての発電機１ｂとを備えるガスタービン発電機である。すなわち、主発電機１は、ガスタービン１ａの回転動力によって発電機１ｂを回転駆動することによって交流電力を発生させ、当該交流電力を主出力Ｐｓとして出力端（主出力端）から負荷に供給する。

ガスタービン１ａは、周知のように原動機の一種であり、燃料を燃焼器で燃焼させることによって発生させた高温ガスを用いてタービンを回転させる内燃機関である。ガスタービン１ａの出力軸（タービンの回転軸）は、図示するように発電機１ｂの回転軸に軸結合されている。このようなガスタービン１ａは、制御装置３によって上記燃料の燃焼器への供給量（燃料噴射量）が制御される。発電機１ｂは、互いに軸結合された上記発電機１ｂによって回転駆動されることにより上記交流電力（主出力Ｐｓ）を発電する。

このような主発電機１は、ガスタービン１ａの燃焼器における燃料噴射量に応じて発電機１ｂの回転数が変化するので、燃料噴射量によって主発電機１の出力（主出力Ｐｓ）が調節される。すなわち、主発電機１は、負荷が要求する需用電力Ｐｊが増大すると主出力Ｐｓが増加し、逆に需用電力Ｐｊが低下すると主出力Ｐｓが減少するように運転される。しかしながら、需用電力Ｐｊの変動（負荷変動）に対する主出力Ｐｓの応答性は必ずしも十分なものではない。

副発電機２は、二次電池２ａと、当該二次電池２ａの入出力端に設けられた充放電回路２ｂとから構成されている。このような副発電機２は、出力端（補償出力端）が上述した主発電機１の出力端（主出力端）に接続されており、上記補償出力Ｐｈを補償出力端を介して負荷に供給（放電）する一方、負荷の状態によっては主出力Ｐｓの一部を二次電池２ａに充電する。すなわち、副発電機２は、負荷が要求する需用電力Ｐｊに対して主出力Ｐｓが不足する場合、自らが蓄えている電力を補償出力Ｐｈとして負荷に供給し、一方、上記需用電力Ｐｊよりも主出力Ｐｓが大きい場合には、その差分（主出力Ｐｓの余剰電力）を蓄電する。

上記二次電池２ａは、上述した主発電機１よりも出力応答性が優れると共に電力の充放電が可能な電源である。本実施形態における二次電池２ａは、一般的な二次電池だけではなくキャパシタ（コンデンサ）をも包含する概念であり、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは電気二重層コンデンサである。

なお、電気二重層コンデンサは、一般的な二次電池に比較して充放電の応答性に優れるが、容量が一般的な二次電池よりも大幅に小さいので、副発電機２として使用する場合には、複数個を並列接続した集合体とすることが好ましい。

充放電回路２ｂは、一対の入出力端を備えており、一方の入出力端が上記補償出力端として主発電機１の出力端（主出力端）に接続され、他方の入出力端が二次電池２ａの充放電端子に接続されている。このような充放電回路２ｂは、制御装置３による制御の下で、二次電池２ａから放電（入力）された電力（直流電力）を交流電力に変換し補償出力Ｐｈとして負荷に供給する一方、主発電機１から入力された主出力Ｐｓの一部（交流電力）を直流電力に変換して二次電池２ａに充電させる。

制御装置３は、上述した主発電機１による発電動作及び副発電機２による充放電動作を制御するものであり、図２に示す制御構成によって上記主出力Ｐｓ及び補償出力Ｐｈを設定する。すなわち、この制御装置３は、主発電機１の主出力Ｐｓと副発電機２の補償出力Ｐｈとからなる総出力Ｐａが負荷の需用電力Ｐｊに合致（バランス）するように主発電機１及び副発電機２を制御する。

このような制御装置３は、図２に示すように、周波数設定部３ａ、加算器３ｂ、ガバナフリー３ｃ、加算器３ｄ、主出力演算部３ｅ、加算器３ｆ、リミッタ３ｇ、充放電可能判定部３ｈ、補償出力演算部３ｉ、リミッタ３ｊ及び周波数検出部３ｋ等を備えている。

周波数設定部３ａは、総出力Ｐａ（交流電力）の目標周波数ｆoを設定するものであり、当該目標周波数ｆoを加算器３ｂに出力する。なお、この目標周波数ｆoは、一般的な電力系統が負荷の場合には、系統周波数５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚである。加算器３ｂは、上記目標周波数ｆoと周波数検出部３ｋから入力される総出力Ｐａの実周波数ｆsとの差分（周波数偏差Δｆ）を算出し、当該周波数偏差Δｆを加算器３ｄ及び充放電可能判定部３ｈに出力する。ガバナフリー３ｃは、主発電機１（ガスタービン発電機）の回転を所望回転数に自立調整する調速機であり、上記所望回転数と主発電機１の実回転数との差分に相当する周波数（ガバナ周波数ｆg）を加算器３ｄに出力する。

加算器３ｄは、上記周波数偏差Δｆとガバナ周波数ｆgとの差分を計算し、修正周波数偏差Δｆaとして主出力演算部３ｅに出力する。主出力演算部３ｅは、上記修正周波数偏差Δｆaに応じた操作量、つまり主発電機１のガスタービン１ａにおける燃料噴射量を規定する操作量を主操作量として演算する。この主出力演算部３ｅは、例えば修正周波数偏差Δｆaと燃料噴射量との関係を示すテーブルに基づいて修正周波数偏差Δｆaに対応する主操作量を特定する。

加算器３ｆは、上記主操作量からリミッタ３ｊから入力される補償操作量を差し引いた操作量を計算し、当該操作量を補正操作量としてリミッタ３ｇに出力する。リミッタ３ｇは、補正操作量の上限値及び下限値を規制するものであり、補正操作量が上限値を超える場合は補正操作量を上限値に制限し、また補正操作量が下限値を下回る場合には補正操作量を下限値に制限する。このようなリミッタ３ｇは、主発電機１を制御する上での安全装置として機能する。

充放電可能判定部３ｈは、二次電池２ａの充電状態、例えば充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）に基づいて二次電池２ａが充放電可能状態にあるか否かを判定し、その判定結果に応じて加算器３ｂから入力された周波数偏差Δｆを補正する。すなわち、充放電可能判定部３ｈは、二次電池２ａの充電率（ＳＯＣ）を常にモニタし、二次電池２ａが満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）にない場合は周波数偏差Δｆを補償出力演算部３ｉに出力し、一方、二次電池２ａが満充電状態に至ると、上記周波数偏差Δｆに代えて補正周波数偏差Δｆhを補償出力演算部３ｉに出力する。なお、二次電池２ａの充電率（ＳＯＣ）は、副発電機２の充放電回路２ｂから充放電可能判定部３ｈに入力される。

補償出力演算部３ｉは、上記補正周波数偏差Δｆhに応じた操作量、つまり副発電機２から出力する補償出力Ｐｈを規定する操作量（補償操作量）を演算する。このような補償出力演算部３ｉは、例えば補正周波数偏差Δｆhと補償出力Ｐｈとの関係を示すテーブルに基づいて、補正周波数偏差Δｆhに対応する補償操作量を特定する。

リミッタ３ｊは、上記補償操作量の上限値を規制するものであり、補償操作量が上限値を超える場合は当該補償操作量を上限値とする。このようなリミッタ３ｊは、副発電機２を制御する上での安全装置として機能する。周波数検出部３ｋは、本発電装置Ａから負荷に供給される総出力Ｐａ（交流電力）の周波数を検出し、上記実周波数ｆsとして加算器３ｂに出力する。

次に、このように構成された発電装置Ａの動作について、図３に示す特性図をも参照して詳しく説明する。

本発電装置Ａにおいて、発電機として機能する主発電機１及び副発電機２は、負荷が要求する需用電力Ｐｊに相当する総出力Ｐａを供給するように制御装置３によって制御される。周知のように発電機の出力との需用電力とのバランスの崩れは発電機の出力の周波数の変化に現れるので、本発電装置Ａと負荷との関係においても、総出力Ｐａと需用電力Ｐｊとのバランスを崩れると、総出力Ｐａの実周波数ｆsが目標周波数ｆoから変位することになる。すなわち、需用電力Ｐｊが総出力Ｐａよりも大きくなると、当該総出力Ｐａの実周波数ｆsは目標周波数ｆoよりも低くなり、逆に需用電力Ｐｊが総出力Ｐａよりも小さくなると、当該総出力Ｐａの実周波数ｆsは目標周波数ｆoよりも高くなる。

このような総出力Ｐａと需用電力Ｐｊとの関係に対して、本発電装置Ａの制御装置３は、図２の制御ブロック図に示したように、周波数設定部３ａが出力する目標周波数ｆoと総出力Ｐａの実周波数ｆsとの差分を周波数偏差Δｆとして算出し、また当該周波数偏差Δｆに基づいて主出力演算部３ｅで演算した主操作量を用いて主発電機１を駆動すると共に、上記周波数偏差Δｆに基づいて補償出力演算部３ｉで演算した補償操作量を用いて副発電機２を駆動するので、総出力Ｐａは需用電力Ｐｊとバランスしたものとなる。

図３は、上記総出力Ｐａの変化の一例を実線で示している。この図３における総出力Ｐａは、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間で急速に増加し、時刻ｔ１から時刻ｔ３の期間では比較的大きな値で平坦に推移し、時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間では急速に減少し、時刻ｔ４から時刻ｔ７の期間では比較的小さな値で平坦に推移している。このような総出力Ｐａの変化は、上述したように周波数偏差Δｆに基づいて主操作量及び補償操作量を演算することによって実現されるものであり、また需用電力Ｐｊの変化に準じたものである。

ここで、本発電装置Ａの制御装置３では、主出力演算部３ｅが演算した主操作量をそのまま用いて主発電機１を駆動するのではなく、加算器３ｆにおいて主操作量から補償操作量を差し引いて得られる補正操作量によって主発電機１を駆動する。また、主発電機１は、出力応答性つまり補正操作量の変化に対する主出力Ｐｓの変化が副発電機２における出力応答性つまり補償操作量の変化に対する補償出力Ｐｈの変化よりも緩慢である。

すなわち、本発電装置Ａの制御装置３では、上記時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間では、比較的緩やかに増加する主出力Ｐｓの需用電力Ｐｊに対する不足分を出力応答性に優れた補償出力Ｐｈが補うことによって、需用電力Ｐｊに追従した総出力Ｐａの急速な増加を実現している。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間では、主出力Ｐｓが緩やかながらも徐々に増加するので、補償出力Ｐｈは徐々に減少することによって、総出力Ｐａが需用電力Ｐｊに合致したものとなる。

また、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間では、加算器３ｆによって計算された補正操作量がリミッタ３ｇの上限値に到達するので、主出力Ｐｓは比較的大きな値を一定に維持し、この結果として補償出力Ｐｈは比較的小さな値を一定に維持する。なお、リミッタ３ｇの上限値がより大きな値に設定することにより、主出力Ｐｓをさらに増加させて主出力Ｐｓのみで総出力Ｐａを構成する状態、つまり需用電力Ｐｊを主出力Ｐｓのみで賄って、補償出力Ｐｈを「０」としてもよい。

時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間では総出力Ｐａが急速に減少するが、この期間では副発電機２が補償出力Ｐｈを付加に供給する状態（放電状態）から主出力Ｐｓの一部を充電する状態（充電状態）に変化することによって、需用電力Ｐｊに追従した総出力Ｐａの急速な減少を実現している。すなわち、本発電装置Ａでは、副発電機２が比較的緩やかに減少する主出力Ｐｓの需用電力Ｐｊに対する超過分を充電することによって総出力Ｐａを需用電力Ｐｊに追従させる。副発電機２は、放電及び充電の何れにおいても出力応答性に優れているので、上記超過分を急速に充電することにより需用電力Ｐｊの急速な減少に対応した総出力Ｐａを実現することができる。

さらに、時刻ｔ４から時刻ｔ７の期間では、総出力Ｐａが比較的小さな値で平坦に推移するが、当該期間の前期に相当する時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間では、主出力Ｐｓが緩やかながらも徐々に減少することによって、副発電機２における上記超過分の充電量が増加傾向から減少傾向に変化する。そして、時刻ｔ４から時刻ｔ７の期間の中期に相当する時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間では、加算器３ｆによって計算された補正操作量がリミッタ３ｇの下限値に到達するので、主出力Ｐｓは比較的小さな値を一定に維持し、この結果として補償出力Ｐｈは比較的小さな値を一定に充電する状態を維持する。

ここで、充放電可能判定部３ｈは、二次電池２ａが満充電状態に至ったことを判定すると、加算器３ｂから入力された周波数偏差Δｆに代えて補正周波数偏差Δｆhを補償出力演算部３ｉに出力する。この補正周波数偏差Δｆhは、二次電池２ａの充電終了を指示するものである。このような補正周波数偏差Δｆhが充放電可能判定部３ｈから補償出力演算部３ｉに入力されることにより、時刻ｔ６から時刻ｔ７の期間に示されているように、二次電池２ａの充電電力が徐々に減少して「０」となる一方、これに伴って主出力Ｐｓが徐々に減少して、主出力Ｐｓのみで総出力Ｐａを賄う状態となる。

このような本実施形態によれば、主発電機１（ガスタービン発電機）の主出力Ｐｓを二次電池２ａを電源とする副発電機２によって補償するので、従来のフライホイールを副発電機として用いる場合に比較して、需用電力Ｐｊの変動（負荷変動）に対してより高速に応答することが可能である。したがって、例えば主発電機１を複数並列に設けて負荷に電力を供給する場合において、主発電機１の台数を従来よりも低減することが可能であり、もって装置コストを低減すると共にメンテナンスコストをも低減することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では１台の主発電機１（ガスタービン発電機）を備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、主発電機１（ガスタービン発電機）の台数は複数台であってもよい。

（２）上記実施形態では、充放電可能判定部３ｈを設けることにより二次電池２ａが満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）に至った状態で二次電池２ａの充電処理を終了するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）に代えて、充電率が９０％あるいは８０％の段階で二次電池２ａの充電処理を終了してもよい。

（３）上記実施形態の充放電可能判定部３ｈは、二次電池２ａが満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）に至ると、周波数偏差Δｆに代えて補正周波数偏差Δｆhを補償出力演算部３ｉに出力するが、本発明はこれに限定されない。充放電可能判定部３ｈは需用電力Ｐｊだけではなく二次電池２ａの充電率をも考慮して補償出力Ｐhを調整するための制御構成要素であり、充放電可能判定部３ｈを用いた制御処理には様々な態様が考えられる。

例えば、周波数偏差Δｆを補正周波数偏差Δｆhに切り替えることに加え、充電率にしきい値（例えば１０％）を設定し、二次電池２ａの放電中において充電率が上記しきい値まで低下すると、周波数偏差Δｆに代えて放電動作を停止させる補正周波数偏差Δｆhaに切り替えてもよい。例えば時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間のように補償出力Ｐhが比較的小さな値を一定に維持している状態において二次電池２ａの充電率が下限値まで低下した場合に、二次電池２ａの放電動作つまり副発電機２の放電動作を停止させ、当該動作停止に起因する補償出力Ｐhの低下をリミッタ３ｇの上限値を若干大きめに設定変更して主電力Ｐｓを増加させ、この増加によって補償出力Ｐhの低下を補ってもよい。

Ａ発電装置、１主発電機、１ａガスタービン、１ｂ発電機、２副発電機、２ａ二次電池、２ｂ充放電回路、３制御装置、３ａ周波数設定部、３ｂ加算器、３ｃガバナフリー、３ｄ加算器、３ｅ主出力演算部、３ｆ加算器、３ｇリミッタ、３ｈ充放電可能判定部、３ｉ補償出力演算部、３ｊリミッタ、３ｋ周波数検出部

Claims

ガスタービンによって駆動され、負荷に電力を主出力として供給する主発電機と、
二次電池を電源とし、出力端が前記主発電機の出力端に接続されると共に前記負荷が要求する需用電力に対して前記主出力を補償するような補償出力を負荷に供給する副発電機と、
前記需用電力に応じた電力を供給させるように前記主発電機及び前記副発電機を制御する制御装置と
を具備することを特徴とする発電装置。
前記制御装置は、前記二次電池の充電状態をも加味して補償出力を設定することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記充電状態は前記二次電池の充電率であり、
前記制御装置は、前記充電率が所定のしきい値まで低下すると、補償出力の負荷への供給を停止することを特徴とする請求項２記載の発電装置。
前記制御装置は、上限値あるいは／及び下限値を設けることにより前記主出力を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
前記二次電池は、複数の電気二重層コンデンサの集合体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。