JP3914106B2 - ガスタービン発電システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高効率で、かつ、高信頼性の運転を実現するガスタービン発電システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平09-289776に記載されているように、従来のガスタービン発電システムにおいては、出力すべき負荷電力から回転数指令値を求め、それをタービン制御装置に入力し、ガスタービンの回転数を制御することにより、発電機の回転数を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来の技術は、タービンの出力電力はその回転数に比例するという知見に基づき、出力電力から回転数指令値を算出している。
【０００４】
タービン制御装置は、その求められた回転数指令値によって燃料供給量を調整し、回転数を制御している。しかしながら、タービン効率は、吸気温度などにより影響されるため、ある燃料量に対して最も高い効率、低Ｎoxとなる回転数でタービンを常に運転できるとは限らない。従って、タービンの効率を常に高い状態に維持することは難しい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タービンの出力を発電機と、交流−直流間の変換が可能な電力変換器を介して電力系統に出力するガスタービン発電システムにおいて、発電機に接続された電力変換器により発電機の速度制御を常に実施することである。
【０００６】
また、タービンの状態量から最適速度指令を作成し、最適速度指令に基づいて、発電機に接続される電力変換器により発電機の速度制御を行うことである。
【０００７】
また、燃料調節などにより燃料量が変動し、電力変換器の電流が所定の値よりも大きくなった場合に一時的に発電機速度を増加させることである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下本発明を適用したガスタービン発電システムの一実施例について図を用いて説明する。図１はガスタービン発電システムのブロックダイアグラムを示している。
【０００９】
図において、タービン１０の回転軸１２は、永久磁石発電機１４の回転子１６を支持する軸に接続される。永久磁石発電機１４の固定子１８側は、変換器２０の交流側２２に接続されている。永久磁石発電機１４は、発電運転時は、その出力を変換器２０へ供給し、電動運転時には変換器２０から電力を受ける。
【００１０】
変換器２０の直流端子２４、２６側は、コンデンサ２８を介して変換器３０の直流側３２に接続される。変換器３０の交流出力側３４は、高調波除去用の交流フィルタを構成するリアクトル３６に接続される。変換器２０、３０は、良く知られた半導体スイッチング素子により構成され、ゲートパルスをオン・オフ制御することにより、交流・直流間での変換を行う。
【００１１】
この実施例では、変換器２０は、発電運転時は交流発電機１４の交流出力を直流に変換し、変換器３０は、変換器２０からの直流出力を交流へ変換し、電力系統からの交流を直流へ変換し変換器２０へ供給する。電動運転時には、その逆に変換器３０は、電力系統の電力を受け、交流出力を直流に変換し、変換器２０へ供給する。変換器２０は、その直流を交流へ変換し、交流発電機を電動機として運転する。
【００１２】
リアクトル３６は、交流フィルタを構成するコンデンサ３８およびリアクトル４０に接続される。これらの直列接続された二つのリアクトル３６、４０、その接続点に接続されたコンデンサ３８によりＴ型交流フィルタを構成する。リアクトル４０は、遮断器４２を介して電力系統４４に接続される。
【００１３】
変換器３０の直流電圧制御装置４６には、検出値Ｓ１、検出値Ｓ２、電圧検出値Ｓ３、直流電圧指令値Ｓ４が入力され、ゲート信号Ｓ５を変換器３０に出力する。
【００１４】
検出値Ｓ１は、リアクトル４０を流れる電流を検出する電流検出器４８、検出値Ｓ２は、リアクトル４０の電力系統４４側に設置された電圧検出器５０、電圧検出値Ｓ３は、変換器３０の直流側に設置されたコンデンサ２８の電圧検出器５２からそれぞれ供給される。
【００１５】
また、変換器２０に接続する発電機速度制御装置５４には、検出値Ｓ６、最適速度指令値Ｓ７が入力され、ゲート信号Ｓ８を変換器２０に出力する。検出値Ｓ６、最適速度指令値Ｓ７は、それぞれ永久磁石発電機１４の出力する電流を検出する電流検出器５６、タービン制御装置５８から出力される。
【００１６】
タービン制御装置５８には、電力検出値Ｓ９と、電力指令Ｓ１０と、タービン１０からの温度や圧力などの状態量Ｓ１１が入力され、タービン１０に燃料調節指令Ｓ１２を出力する。
【００１７】
電力検出器６０は、交流電流Ｓ１及び交流電圧Ｓ２から電力を検出し、電力検出値Ｓ９を出力する。また、タービン制御装置５８は、電力変換器２０に接続する発電機速度度制御装置５４に、最適速度指令値Ｓ７を出力する。
【００１８】
図２は、変換器２０に接続するの発電機速度制御装置５４の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。図において、発電機速度制御装置５４には、最適速度指令値Ｓ７と、発電機電流検出値Ｓ６が入力される。最適速度指令値Ｓ７は、減算器６４に入力される。
【００１９】
位相検出器６２には、変換器２０の出力電圧指令値Ｓ１３、Ｓ１４と、発電機電流検出値Ｓ６が入力され、センサレス位相検出方式を用いて発電機１４の誘起電圧の位相信号Thgを演算し、３相２相座標変換器６６と、２相３相座標変換器６８と、速度演算器７０に出力する。
【００２０】
速度演算器７０は、誘起電圧位相信号Thgから式（１）により速度Omegを演算する。
【００２１】
【数１】
減算器６４は、最適速度指令値Ｓ７と速度演算値Omegとの偏差を演算し、速度調整器７２に出力する。速度調整器７２は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。速度調節器７２は、速度偏差を零にするようにｑ軸電流指令値（トルク電流指令値）Ｓ１５を調整し、減算器７４に出力する。
【００２２】
３相２相座標変換器６６は、入力された発電機電流検出値Ｓ６と誘起電圧位相信号Thgから、ｄ軸電流（励磁電流成分）Idとｑ軸電流（トルク電流成分）Iqを式（２）により演算する。ｄ軸電流検出値Idは、減算器７６に出力され、ｑ軸電流検出値Iqは減算器７４に出力される。
【００２３】
【数２】
減算器７４は、ｑ軸電流指令値Ｓ１５とｑ軸電流検出値Iqの偏差を演算し、電流調整器７８に出力する。電流調節器７８は、指令値Ｓ１５と検出値Iqとの偏差を零にするようにｑ軸電圧指令値Ｓ１６を調整し、２相３相座標変換器６８に出力する。
【００２４】
また、減算器７６は、ｄ軸電流指令値Ｓ１７とｄ軸電流検出値Idの偏差を演算し、電流調整器８０に出力する。電流調整器８０は、指令値Ｓ１７と検出値Idの偏差を零にするように、その出力であるｄ軸電圧指令値Ｓ１８を調整し、２相３相座標変換器６８に出力する。電流調整器７８、８０は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。
【００２５】
２相３相座標変換器６８には、位相信号Thgと、ｄ軸電圧指令値Ｓ１８と、ｑ軸電圧指令値Ｓ１６が入力され、式（３）および式（４に）より変換器２０の出力する電圧指令値Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１９を演算し、PWM演算器（パルス幅変調演算器）８２に出力する。
【００２６】
【数３】
【数４】
ＰＷＭ演算器８２は、入力された電圧指令Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１９からゲート信号Ｓ８を演算する。この信号Ｓ８は、パルス幅変調方式により構成された変換器２０に与えられ、その半導体素子をオン・オフ制御する。
【００２７】
次に図２の動作の一例を説明する。いま、図２の発電機速度制御装置５４において、発電機１４の電動機運転時のトルク電流を正、発電運転時のトルク電流を負と定義する。
【００２８】
今、タービン制御装置５８の最適速度指令値Ｓ７が増加すると、速度調整器７２の入力は増加する。したがって、速度調整器７２の出力（トルク電流指令値Ｓ１５）は正の方向に増加する。
【００２９】
発電運転時のトルク電流は負と定義したので、トルク電流指令値Ｓ１５が正の方向に増加するというのは、トルク電流が減少することを意味する。トルク電流指令値Ｓ１５が正方向に増加すると、電流調整器７８の入力が増加する。
【００３０】
トルク電流を減少させるために、電流調整器７８は、ｑ軸電圧指令値Ｓ１６を変化させ、変換器２０が出力している電圧の位相を遅らせる。これによって、発電機１４の誘起電圧との位相差を小さくなり、トルク電流は、小さくなる。
【００３１】
トルク電流の減少は、発電機１４から取り出す電気的なエネルギーを小さくすることに相当する。発電機１４は、取り出されるエネルギーが減った分、回転エネルギーが増し、したがって回転速度が増加することになる。
【００３２】
これは式（５）に示す発電機の運動方程式からも説明できる。式（５）において発電機１４がタービン１０から受け取るエネルギーをT、発電機１４から変換器２０により取り出されるエネルギーをTiとすると、T>Tiのとき、加速することを示しており、T=Tiでは一定速度、T<Tiでは減速することを示している。
【００３３】
【数５】
逆に、発電運転時に速度指令値Ｓ７が減少すると、速度調整器７２の正方向入力は減少する。それ故、速度調整器７２の出力（トルク電流指令値Ｓ１５）は負の方向に大きくなる。
【００３４】
発電運転時のトルク電流は負と定義したので、トルク電流指令値Ｓ１５が負の方向に変化することは、トルク電流を増加させることを意味する。
トルク電流を増加させるために、電流調整器７８は、ｑ軸電圧指令値Ｓ１６を減少させ、変換器２０が出力している電圧の位相を進める。それにより、発電機１４の誘起電圧との位相差を大きくする。
【００３５】
トルク電流の増大は、発電機１４から取り出す電気的なエネルギーを大きくすることに相当し、発電機１４は、取り出されるエネルギーが増加した分、回転エネルギーが減少し、したがって回転速度が減少することになる。
【００３６】
この場合は、発電機１４がタービン１０から入力されるエネルギーをT、発電機１４から変換器２０により取り出されるエネルギーをTiは、T<Tiであり減速する。
【００３７】
図３は、変換器３０の直流電圧制御装置４６の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。図において、直流電圧制御装置４６には、電流検出値Ｓ１と、電圧検出値Ｓ２と、直流電圧検出値Ｓ３と、直流電圧指令値Ｓ４が入力される。
【００３８】
交流電圧検出値Ｓ２は、位相検出器８４と３相２相座標変換器８６に入力される。位相検出器８４は、電力系統４４の電圧に追従する位相信号Thnを、例えば位相同期ループ（PLL:Phase Locked Loop）方式で演算し、位相信号Thnを３相２相座標変換器８８、８６および２相３相座標変換器９０に出力する。
【００３９】
直流電圧指令値Ｓ４と直流電圧検出値Ｓ３は、減算器９２に入力され、減算器９２は、直流電圧指令値Ｓ４と直流電圧検出値Ｓ３の偏差を電圧調整器９４に出力する。
【００４０】
電圧調整器９４は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。直流電圧調整器９４は入力された偏差が零になるように出力のｄ軸電流指令値（有効分電流指令値）Ｓ２２を調整し、減算器９６に出力する。
【００４１】
３相２相座標変換器８８は、入力された電流Ｓ１から式（２）に示した変換式を用いて、ｄ軸電流検出値Idn（有効分電流）とｑ軸電流検出値Iqn（無効分電流）を演算し、ｄ軸電流検出値Idnを減算器９６に、ｑ軸電流検出値Iqnを減算器９８に出力する。
【００４２】
減算器９６は、ｄ軸電流指令値Ｓ２２とｄ軸電流検出値Idnの偏差を演算し、電流調整器１００に出力する。電流調節器１００は、指令値Ｓ２２と検出値Idnの偏差を零にするようにｄ軸電圧指令値Ｓ２３を調整し、加算器１０２に出力する。
【００４３】
同様に、減算器９８は、ｑ軸電流指令値Ｓ２４とｑ軸電流検出値Iqnの偏差を演算し、電流調整器１０２に出力する。電流調整器１０２は、入力された指令値と検出値の偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｓ２５を調整し、加算器１０４に出力する。ここで電流調整器１００、１０２は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。
【００４４】
３相２相座標変換器８６は、入力された電圧Ｓ２から式（２）に示した変換式を用いて、ｄ軸電圧検出値（系統電圧４４に一致する位相成分）Vdnとｑ軸電圧検出値（ｄ軸電圧検出値と直交する成分）Vqnを演算し、それぞれを加算器１０３および１０４に出力する。
【００４５】
加算器１０３は、ｄ軸電圧指令値Ｓ２３とｄ軸電圧検出値Vdnを加算して２相３相座標変換器９０に出力する。同様に加算器１０４は、ｑ軸電圧指令値Ｓ２５とｑ軸電圧検出値Vqnを加算して２相３相座標変換器９０に出力する。
【００４６】
２相３相座標変換器９０は、位相信号Thnと、各加算器１０４、１０３の結果を入力し、式（３）および式（４）に示した変換式により変換器の出力する電圧指令値Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８を演算し、PWM演算器１０６に出力する。
【００４７】
PWM演算器１０６は、入力された電圧指令Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８からゲート信号Ｓ５を演算する。パルス幅変調方式により構成する変換器３０の半導体素子をオン・オフ制御すため、このゲート信号５は、変換器３０に供給される。
【００４８】
図４は、タービン制御装置５８の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。図において、タービン制御装置５８には、電力指令値Ｓ１０と、電力検出値Ｓ９と、状態量Ｓ１１が入力される。
【００４９】
減算器１０８は、電力指令値Ｓ１０と電力検出値Ｓ９の偏差を演算し、交流電力調整器１１０に出力する。交流電力調整器１１０は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。交流電力調整器１１０は、指令値と検出値の偏差を零にするように電力指令値Ｓ１０を補正した電力指令値Ｓ３０を出力する。
【００５０】
補正された電力指令値Ｓ３０は、燃料換算器１１２に入力され、燃料換算器１１２により電力から燃料調節用指令値Ｓ１２を求め、それを出力する。
【００５１】
また、補正された電力指令値Ｓ３０は、最適速度演算器１１４にも入力される。最適速度演算器１１４には、補正された電力指令値Ｓ３０と、状態量Ｓ１１が入力され、予め定められた各状態での最適運転条件を参照し、タービン効率の良い最適速度指令値Ｓ７を出力する。
【００５２】
次に図５を用いて、最適速度演算器１１４の動作について説明する。図５（ａ）のグラフは、発電機１４の回転数とタービン１０の出口温度の関係を示す。また、（ｂ）のグラフは発電効率とタービン１０の出口温度の関係を示す。
【００５３】
タービン１０の状態量Ｓ１１として、例えば、タービン出口温度を用いると、最も高い発電効率で運転するための最適回転数（図中（ａ）のグラフに示した）から最適速度指令Ｓ７が定まる。
【００５４】
図５のグラフは、ある電力出力条件であり、例えば出力電力毎に最適回転数をテーブル化すると、最適速度演算器１１４は、常に最適な速度指令値Ｓ７を出力できる。
【００５５】
また、上記テーブル化の他に、タービン温度が許容最高温度のTmaxになるように、タービン出口温度が低い場合は速度を低下、タービン出口温度が高い場合は速度を上昇させても最適速度指令値Ｓ７を求めることが出来る。
【００５６】
ここではタービン出口温度で説明したが、タービン出口温度に相当する状態量でも同等の機能が得られる。また、上記のように一般的なガスタービンは回転数で効率が変化し、高湿分空気利用ガスタービンでも同様な効果が得られる。
【００５７】
本実施の形態によれば、発電運転中も常に発電機１４に接続される変換器２０によって速度制御できるため、一旦制御を停止してダイオード整流する場合に比べて、制御が簡単になる。
【００５８】
また、タービン１０の状態量Ｓ１１から最適速度指令Ｓ７を作成し、最適速度指令Ｓ７に基づいて、発電機１４に接続される変換器２０によって発電機の速度制御を行うことにより、タービン効率の良い速度で発電機１０を運転することができる。
【００５９】
本実施例では、発電機１０の変換器制御にセンサレス制御を用いているが、発電機１０の回転軸１２に接続した位置検出器を用いて位相検出を行う場合でも同様な効果が得られる。
【００６０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、各図を通して同等の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明は省略することにする。
【００６１】
【実施例２】
図６から図８は、本発明のガスタービン用電力変換装置及び制御方法を実現するための他の実施例を示している。図６の発電機速度制御装置１１８は、実施例１の発電機速度制御装置５４と一部の構成が異なる。
【００６２】
タービン制御装置５８から入力される最適速度指令値Ｓ７を速度指令演算器１１６に入力し、速度指令演算器１１６の出力を速度指令値として用いる構成としている。この発電機速度制御装置１１８を図１の発電機速度制御装置５４と置換して使用することができる。
【００６３】
図７は、図６に示した速度指令演算器１１６の構成を示すブロックダイアグラムである。速度指令演算器１１６はｄ軸電流検出値Id（励磁電流成分）と、ｑ軸電流検出値Iqと（トルク電流成分）、最適速度指令値Ｓ７を入力する。
【００６４】
ｄ軸電流検出値Idと、ｑ軸電流検出値Iqは振幅演算器１１８に入力され、振幅演算器１１８は式（６）に従い電流の振幅Isを演算し、不感帯リミッタ１２０に出力する。
【００６５】
【数６】
不感帯リミッタ１２０は、入力値Isが設定した値を超えたとき、出力に入力値Isを出力する。不感帯リミッタ１２０の出力値はゲイン乗算器１２２に入力され、所定のゲインを乗算して加算器１２４に結果を出力する。
【００６６】
加算器１２４は、乗算結果と、最適速度指令値Ｓ７を入力し、加算結果を指令値過速度防止用のリミッタ１２６に出力する。リミッタ１２６は、入力値がリミット値を超えた場合はリミット値を出力し、入力値がリミット値以下では入力値を出力する。
【００６７】
本実施の形態によれば、実施例１の効果に加え、タービンの燃料調節により燃料が変動し、変換器２０の電流が所定の値よりも大きくなる様な過渡変動時に一時的に発電機の速度を増加して慣性エネルギーによるエネルギーの吸収／放出を行う。
【００６８】
すなわち、機械入力の変動を回転体の機械エネルギーで吸収し電気的な変動を抑制することができるため、変換器２０の過電流を防止でき信頼性の高いシステムが実現できる。
【００６９】
また、本実施例では、電流の振幅を用いた方式について述べているが、図８に示すようにｑ軸電流（トルク電流）検出値を用いる速度指令演算器１２８でも同様な効果が得られる。
【００７０】
以上述べたように、上記実施例では、発電運転中も常に発電機に接続される変換器によって速度制御を実施するため、一旦制御を停止してダイオード整流する場合に比べて、制御が簡単になる。
また、タービンの状態量から最適速度指令を作成し、最適速度指令に基づいて、発電機に接続される変換器にて発電機の速度制御を実施することにより、タービン効率の良い速度で発電機を運転することが実現できる。
【００７１】
また、燃料調節により燃料が変動し、変換器の電流が所定の値よりも大きくなる様な過渡変動時に一時的に発電機の速度を増加して慣性エネルギーによるエネルギーの吸収／放出を行うことができるため、変換器の過電流を防止でき信頼性の高いシステムが実現できる。
【００７２】
変換器の電流が大きくなった場合に、一時的に速度を増加させる制御を用いるため、変換器の過電流を防止でき信頼性の高いシステムが実現できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、発電運転中も常に発電機に接続される変換器によって速度制御を実施するため、一旦制御を停止してダイオード整流する場合に比べて、制御が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるガスタービン用電力変換システムの主回路と制御系の全体構成を示すブロックダイアグラムである。
【図２】本発明の一実施例による制御装置５４の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図３】本発明の一実施例による制御装置４６の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図４】本発明の一実施例による制御装置５８の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図５】本発明の第２の実施例による制御装置５８の最適速度演算記１１４を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施例による制御装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施例による速度指令演算器１１６の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図８】本発明の第２の実施例で用いる速度指令演算器１２８の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【符号の説明】
１０…タービン、1４…発電機、２０、３０…変換器、２８、３８…コンデンサ、３６、４０…リアクトル、４２…遮断器、４４…電力系統、５２…電圧検出器、５８…タービン制御装置、５４…発電機速度制御装置、４６…直流電圧制御装置、Ｓ１１…タービン状態量、Ｓ１２…燃料調整量、Ｓ６…発電機電流検出値、Ｓ８、Ｓ５…ゲート信号、Ｓ３…直流電圧検出値、Ｓ１…システム交流電流検出値、Ｓ２…交流電圧検出値、Ｓ７…最適速度指令値、Ｓ９…システム出力電力検出値、Ｓ１０…電力指令値、Ｓ４…直流電圧指令値、５６、３６…電流検出器、６２…位相検出器、６４、７４、７６、９６、９８…減算器、６６、８６、８８…３相２相座標変換器、６８、９０…２相３相座標変換器、７０…速度演算器、７２…速度調整器、Ｓ１５…ｑ軸電流指令値、７８、８０、１００、１０２…電流調整器、Ｓ１６…ｑ軸電圧指令値、Ｓ１８…ｄ軸電圧指令値、Ｓ１７…ｄ軸電流指令値、８２、１０６…PWM演算器、Thg…発電機位相検出値、Omeg…回転数検出値、Id…ｄ軸電流検出値、Iq…ｑ軸電流検出値、８４…系統位相検出器、９４…直流電圧調整器、Ｓ２２…ｄ軸電流指令値、Ｓ２４…ｑ軸電流指令値、Ｓ２３…ｄ軸電圧指令値、Ｓ２５…ｑ軸電圧指令値、１０２、１０４、１２４…加算器、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８…出力電圧指令値、Idn…ｄ軸電流検出値、Iqn…ｑ軸電流検出値、Thn…系統位相検出値、１１０…交流電力調整器、Ｓ３０…補正された電力指令値、１１２…燃料換算器、１１４…最適速度演算器、１１６、１２８…速度指令演算器、１２７…速度指令演算器出力、１１８…振幅演算器、１２０…不感帯リミッタ、１２２…ゲイン乗算器、１２６…リミッタ
【発明の属する技術分野】
本発明は高効率で、かつ、高信頼性の運転を実現するガスタービン発電システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平09-289776に記載されているように、従来のガスタービン発電システムにおいては、出力すべき負荷電力から回転数指令値を求め、それをタービン制御装置に入力し、ガスタービンの回転数を制御することにより、発電機の回転数を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来の技術は、タービンの出力電力はその回転数に比例するという知見に基づき、出力電力から回転数指令値を算出している。
【０００４】
タービン制御装置は、その求められた回転数指令値によって燃料供給量を調整し、回転数を制御している。しかしながら、タービン効率は、吸気温度などにより影響されるため、ある燃料量に対して最も高い効率、低Ｎoxとなる回転数でタービンを常に運転できるとは限らない。従って、タービンの効率を常に高い状態に維持することは難しい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タービンの出力を発電機と、交流−直流間の変換が可能な電力変換器を介して電力系統に出力するガスタービン発電システムにおいて、発電機に接続された電力変換器により発電機の速度制御を常に実施することである。
【０００６】
また、タービンの状態量から最適速度指令を作成し、最適速度指令に基づいて、発電機に接続される電力変換器により発電機の速度制御を行うことである。
【０００７】
また、燃料調節などにより燃料量が変動し、電力変換器の電流が所定の値よりも大きくなった場合に一時的に発電機速度を増加させることである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下本発明を適用したガスタービン発電システムの一実施例について図を用いて説明する。図１はガスタービン発電システムのブロックダイアグラムを示している。
【０００９】
図において、タービン１０の回転軸１２は、永久磁石発電機１４の回転子１６を支持する軸に接続される。永久磁石発電機１４の固定子１８側は、変換器２０の交流側２２に接続されている。永久磁石発電機１４は、発電運転時は、その出力を変換器２０へ供給し、電動運転時には変換器２０から電力を受ける。
【００１０】
変換器２０の直流端子２４、２６側は、コンデンサ２８を介して変換器３０の直流側３２に接続される。変換器３０の交流出力側３４は、高調波除去用の交流フィルタを構成するリアクトル３６に接続される。変換器２０、３０は、良く知られた半導体スイッチング素子により構成され、ゲートパルスをオン・オフ制御することにより、交流・直流間での変換を行う。
【００１１】
この実施例では、変換器２０は、発電運転時は交流発電機１４の交流出力を直流に変換し、変換器３０は、変換器２０からの直流出力を交流へ変換し、電力系統からの交流を直流へ変換し変換器２０へ供給する。電動運転時には、その逆に変換器３０は、電力系統の電力を受け、交流出力を直流に変換し、変換器２０へ供給する。変換器２０は、その直流を交流へ変換し、交流発電機を電動機として運転する。
【００１２】
リアクトル３６は、交流フィルタを構成するコンデンサ３８およびリアクトル４０に接続される。これらの直列接続された二つのリアクトル３６、４０、その接続点に接続されたコンデンサ３８によりＴ型交流フィルタを構成する。リアクトル４０は、遮断器４２を介して電力系統４４に接続される。
【００１３】
変換器３０の直流電圧制御装置４６には、検出値Ｓ１、検出値Ｓ２、電圧検出値Ｓ３、直流電圧指令値Ｓ４が入力され、ゲート信号Ｓ５を変換器３０に出力する。
【００１４】
検出値Ｓ１は、リアクトル４０を流れる電流を検出する電流検出器４８、検出値Ｓ２は、リアクトル４０の電力系統４４側に設置された電圧検出器５０、電圧検出値Ｓ３は、変換器３０の直流側に設置されたコンデンサ２８の電圧検出器５２からそれぞれ供給される。
【００１５】
また、変換器２０に接続する発電機速度制御装置５４には、検出値Ｓ６、最適速度指令値Ｓ７が入力され、ゲート信号Ｓ８を変換器２０に出力する。検出値Ｓ６、最適速度指令値Ｓ７は、それぞれ永久磁石発電機１４の出力する電流を検出する電流検出器５６、タービン制御装置５８から出力される。
【００１６】
タービン制御装置５８には、電力検出値Ｓ９と、電力指令Ｓ１０と、タービン１０からの温度や圧力などの状態量Ｓ１１が入力され、タービン１０に燃料調節指令Ｓ１２を出力する。
【００１７】
電力検出器６０は、交流電流Ｓ１及び交流電圧Ｓ２から電力を検出し、電力検出値Ｓ９を出力する。また、タービン制御装置５８は、電力変換器２０に接続する発電機速度度制御装置５４に、最適速度指令値Ｓ７を出力する。
【００１８】
図２は、変換器２０に接続するの発電機速度制御装置５４の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。図において、発電機速度制御装置５４には、最適速度指令値Ｓ７と、発電機電流検出値Ｓ６が入力される。最適速度指令値Ｓ７は、減算器６４に入力される。
【００１９】
位相検出器６２には、変換器２０の出力電圧指令値Ｓ１３、Ｓ１４と、発電機電流検出値Ｓ６が入力され、センサレス位相検出方式を用いて発電機１４の誘起電圧の位相信号Thgを演算し、３相２相座標変換器６６と、２相３相座標変換器６８と、速度演算器７０に出力する。
【００２０】
速度演算器７０は、誘起電圧位相信号Thgから式（１）により速度Omegを演算する。
【００２１】
【数１】
【００２２】
３相２相座標変換器６６は、入力された発電機電流検出値Ｓ６と誘起電圧位相信号Thgから、ｄ軸電流（励磁電流成分）Idとｑ軸電流（トルク電流成分）Iqを式（２）により演算する。ｄ軸電流検出値Idは、減算器７６に出力され、ｑ軸電流検出値Iqは減算器７４に出力される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
また、減算器７６は、ｄ軸電流指令値Ｓ１７とｄ軸電流検出値Idの偏差を演算し、電流調整器８０に出力する。電流調整器８０は、指令値Ｓ１７と検出値Idの偏差を零にするように、その出力であるｄ軸電圧指令値Ｓ１８を調整し、２相３相座標変換器６８に出力する。電流調整器７８、８０は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。
【００２５】
２相３相座標変換器６８には、位相信号Thgと、ｄ軸電圧指令値Ｓ１８と、ｑ軸電圧指令値Ｓ１６が入力され、式（３）および式（４に）より変換器２０の出力する電圧指令値Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１９を演算し、PWM演算器（パルス幅変調演算器）８２に出力する。
【００２６】
【数３】
【００２７】
次に図２の動作の一例を説明する。いま、図２の発電機速度制御装置５４において、発電機１４の電動機運転時のトルク電流を正、発電運転時のトルク電流を負と定義する。
【００２８】
今、タービン制御装置５８の最適速度指令値Ｓ７が増加すると、速度調整器７２の入力は増加する。したがって、速度調整器７２の出力（トルク電流指令値Ｓ１５）は正の方向に増加する。
【００２９】
発電運転時のトルク電流は負と定義したので、トルク電流指令値Ｓ１５が正の方向に増加するというのは、トルク電流が減少することを意味する。トルク電流指令値Ｓ１５が正方向に増加すると、電流調整器７８の入力が増加する。
【００３０】
トルク電流を減少させるために、電流調整器７８は、ｑ軸電圧指令値Ｓ１６を変化させ、変換器２０が出力している電圧の位相を遅らせる。これによって、発電機１４の誘起電圧との位相差を小さくなり、トルク電流は、小さくなる。
【００３１】
トルク電流の減少は、発電機１４から取り出す電気的なエネルギーを小さくすることに相当する。発電機１４は、取り出されるエネルギーが減った分、回転エネルギーが増し、したがって回転速度が増加することになる。
【００３２】
これは式（５）に示す発電機の運動方程式からも説明できる。式（５）において発電機１４がタービン１０から受け取るエネルギーをT、発電機１４から変換器２０により取り出されるエネルギーをTiとすると、T>Tiのとき、加速することを示しており、T=Tiでは一定速度、T<Tiでは減速することを示している。
【００３３】
【数５】
【００３４】
発電運転時のトルク電流は負と定義したので、トルク電流指令値Ｓ１５が負の方向に変化することは、トルク電流を増加させることを意味する。
トルク電流を増加させるために、電流調整器７８は、ｑ軸電圧指令値Ｓ１６を減少させ、変換器２０が出力している電圧の位相を進める。それにより、発電機１４の誘起電圧との位相差を大きくする。
【００３５】
トルク電流の増大は、発電機１４から取り出す電気的なエネルギーを大きくすることに相当し、発電機１４は、取り出されるエネルギーが増加した分、回転エネルギーが減少し、したがって回転速度が減少することになる。
【００３６】
この場合は、発電機１４がタービン１０から入力されるエネルギーをT、発電機１４から変換器２０により取り出されるエネルギーをTiは、T<Tiであり減速する。
【００３７】
図３は、変換器３０の直流電圧制御装置４６の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。図において、直流電圧制御装置４６には、電流検出値Ｓ１と、電圧検出値Ｓ２と、直流電圧検出値Ｓ３と、直流電圧指令値Ｓ４が入力される。
【００３８】
交流電圧検出値Ｓ２は、位相検出器８４と３相２相座標変換器８６に入力される。位相検出器８４は、電力系統４４の電圧に追従する位相信号Thnを、例えば位相同期ループ（PLL:Phase Locked Loop）方式で演算し、位相信号Thnを３相２相座標変換器８８、８６および２相３相座標変換器９０に出力する。
【００３９】
直流電圧指令値Ｓ４と直流電圧検出値Ｓ３は、減算器９２に入力され、減算器９２は、直流電圧指令値Ｓ４と直流電圧検出値Ｓ３の偏差を電圧調整器９４に出力する。
【００４０】
電圧調整器９４は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。直流電圧調整器９４は入力された偏差が零になるように出力のｄ軸電流指令値（有効分電流指令値）Ｓ２２を調整し、減算器９６に出力する。
【００４１】
３相２相座標変換器８８は、入力された電流Ｓ１から式（２）に示した変換式を用いて、ｄ軸電流検出値Idn（有効分電流）とｑ軸電流検出値Iqn（無効分電流）を演算し、ｄ軸電流検出値Idnを減算器９６に、ｑ軸電流検出値Iqnを減算器９８に出力する。
【００４２】
減算器９６は、ｄ軸電流指令値Ｓ２２とｄ軸電流検出値Idnの偏差を演算し、電流調整器１００に出力する。電流調節器１００は、指令値Ｓ２２と検出値Idnの偏差を零にするようにｄ軸電圧指令値Ｓ２３を調整し、加算器１０２に出力する。
【００４３】
同様に、減算器９８は、ｑ軸電流指令値Ｓ２４とｑ軸電流検出値Iqnの偏差を演算し、電流調整器１０２に出力する。電流調整器１０２は、入力された指令値と検出値の偏差を零にするように出力のｑ軸電圧指令値Ｓ２５を調整し、加算器１０４に出力する。ここで電流調整器１００、１０２は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。
【００４４】
３相２相座標変換器８６は、入力された電圧Ｓ２から式（２）に示した変換式を用いて、ｄ軸電圧検出値（系統電圧４４に一致する位相成分）Vdnとｑ軸電圧検出値（ｄ軸電圧検出値と直交する成分）Vqnを演算し、それぞれを加算器１０３および１０４に出力する。
【００４５】
加算器１０３は、ｄ軸電圧指令値Ｓ２３とｄ軸電圧検出値Vdnを加算して２相３相座標変換器９０に出力する。同様に加算器１０４は、ｑ軸電圧指令値Ｓ２５とｑ軸電圧検出値Vqnを加算して２相３相座標変換器９０に出力する。
【００４６】
２相３相座標変換器９０は、位相信号Thnと、各加算器１０４、１０３の結果を入力し、式（３）および式（４）に示した変換式により変換器の出力する電圧指令値Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８を演算し、PWM演算器１０６に出力する。
【００４７】
PWM演算器１０６は、入力された電圧指令Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８からゲート信号Ｓ５を演算する。パルス幅変調方式により構成する変換器３０の半導体素子をオン・オフ制御すため、このゲート信号５は、変換器３０に供給される。
【００４８】
図４は、タービン制御装置５８の詳細な構成を示すブロックダイアグラムである。図において、タービン制御装置５８には、電力指令値Ｓ１０と、電力検出値Ｓ９と、状態量Ｓ１１が入力される。
【００４９】
減算器１０８は、電力指令値Ｓ１０と電力検出値Ｓ９の偏差を演算し、交流電力調整器１１０に出力する。交流電力調整器１１０は、たとえば、比例積分制御器により構成できる。交流電力調整器１１０は、指令値と検出値の偏差を零にするように電力指令値Ｓ１０を補正した電力指令値Ｓ３０を出力する。
【００５０】
補正された電力指令値Ｓ３０は、燃料換算器１１２に入力され、燃料換算器１１２により電力から燃料調節用指令値Ｓ１２を求め、それを出力する。
【００５１】
また、補正された電力指令値Ｓ３０は、最適速度演算器１１４にも入力される。最適速度演算器１１４には、補正された電力指令値Ｓ３０と、状態量Ｓ１１が入力され、予め定められた各状態での最適運転条件を参照し、タービン効率の良い最適速度指令値Ｓ７を出力する。
【００５２】
次に図５を用いて、最適速度演算器１１４の動作について説明する。図５（ａ）のグラフは、発電機１４の回転数とタービン１０の出口温度の関係を示す。また、（ｂ）のグラフは発電効率とタービン１０の出口温度の関係を示す。
【００５３】
タービン１０の状態量Ｓ１１として、例えば、タービン出口温度を用いると、最も高い発電効率で運転するための最適回転数（図中（ａ）のグラフに示した）から最適速度指令Ｓ７が定まる。
【００５４】
図５のグラフは、ある電力出力条件であり、例えば出力電力毎に最適回転数をテーブル化すると、最適速度演算器１１４は、常に最適な速度指令値Ｓ７を出力できる。
【００５５】
また、上記テーブル化の他に、タービン温度が許容最高温度のTmaxになるように、タービン出口温度が低い場合は速度を低下、タービン出口温度が高い場合は速度を上昇させても最適速度指令値Ｓ７を求めることが出来る。
【００５６】
ここではタービン出口温度で説明したが、タービン出口温度に相当する状態量でも同等の機能が得られる。また、上記のように一般的なガスタービンは回転数で効率が変化し、高湿分空気利用ガスタービンでも同様な効果が得られる。
【００５７】
本実施の形態によれば、発電運転中も常に発電機１４に接続される変換器２０によって速度制御できるため、一旦制御を停止してダイオード整流する場合に比べて、制御が簡単になる。
【００５８】
また、タービン１０の状態量Ｓ１１から最適速度指令Ｓ７を作成し、最適速度指令Ｓ７に基づいて、発電機１４に接続される変換器２０によって発電機の速度制御を行うことにより、タービン効率の良い速度で発電機１０を運転することができる。
【００５９】
本実施例では、発電機１０の変換器制御にセンサレス制御を用いているが、発電機１０の回転軸１２に接続した位置検出器を用いて位相検出を行う場合でも同様な効果が得られる。
【００６０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、各図を通して同等の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明は省略することにする。
【００６１】
【実施例２】
図６から図８は、本発明のガスタービン用電力変換装置及び制御方法を実現するための他の実施例を示している。図６の発電機速度制御装置１１８は、実施例１の発電機速度制御装置５４と一部の構成が異なる。
【００６２】
タービン制御装置５８から入力される最適速度指令値Ｓ７を速度指令演算器１１６に入力し、速度指令演算器１１６の出力を速度指令値として用いる構成としている。この発電機速度制御装置１１８を図１の発電機速度制御装置５４と置換して使用することができる。
【００６３】
図７は、図６に示した速度指令演算器１１６の構成を示すブロックダイアグラムである。速度指令演算器１１６はｄ軸電流検出値Id（励磁電流成分）と、ｑ軸電流検出値Iqと（トルク電流成分）、最適速度指令値Ｓ７を入力する。
【００６４】
ｄ軸電流検出値Idと、ｑ軸電流検出値Iqは振幅演算器１１８に入力され、振幅演算器１１８は式（６）に従い電流の振幅Isを演算し、不感帯リミッタ１２０に出力する。
【００６５】
【数６】
【００６６】
加算器１２４は、乗算結果と、最適速度指令値Ｓ７を入力し、加算結果を指令値過速度防止用のリミッタ１２６に出力する。リミッタ１２６は、入力値がリミット値を超えた場合はリミット値を出力し、入力値がリミット値以下では入力値を出力する。
【００６７】
本実施の形態によれば、実施例１の効果に加え、タービンの燃料調節により燃料が変動し、変換器２０の電流が所定の値よりも大きくなる様な過渡変動時に一時的に発電機の速度を増加して慣性エネルギーによるエネルギーの吸収／放出を行う。
【００６８】
すなわち、機械入力の変動を回転体の機械エネルギーで吸収し電気的な変動を抑制することができるため、変換器２０の過電流を防止でき信頼性の高いシステムが実現できる。
【００６９】
また、本実施例では、電流の振幅を用いた方式について述べているが、図８に示すようにｑ軸電流（トルク電流）検出値を用いる速度指令演算器１２８でも同様な効果が得られる。
【００７０】
以上述べたように、上記実施例では、発電運転中も常に発電機に接続される変換器によって速度制御を実施するため、一旦制御を停止してダイオード整流する場合に比べて、制御が簡単になる。
また、タービンの状態量から最適速度指令を作成し、最適速度指令に基づいて、発電機に接続される変換器にて発電機の速度制御を実施することにより、タービン効率の良い速度で発電機を運転することが実現できる。
【００７１】
また、燃料調節により燃料が変動し、変換器の電流が所定の値よりも大きくなる様な過渡変動時に一時的に発電機の速度を増加して慣性エネルギーによるエネルギーの吸収／放出を行うことができるため、変換器の過電流を防止でき信頼性の高いシステムが実現できる。
【００７２】
変換器の電流が大きくなった場合に、一時的に速度を増加させる制御を用いるため、変換器の過電流を防止でき信頼性の高いシステムが実現できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、発電運転中も常に発電機に接続される変換器によって速度制御を実施するため、一旦制御を停止してダイオード整流する場合に比べて、制御が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるガスタービン用電力変換システムの主回路と制御系の全体構成を示すブロックダイアグラムである。
【図２】本発明の一実施例による制御装置５４の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図３】本発明の一実施例による制御装置４６の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図４】本発明の一実施例による制御装置５８の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図５】本発明の第２の実施例による制御装置５８の最適速度演算記１１４を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施例による制御装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施例による速度指令演算器１１６の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【図８】本発明の第２の実施例で用いる速度指令演算器１２８の詳細構成を示すブロックダイアグラムである。
【符号の説明】
１０…タービン、1４…発電機、２０、３０…変換器、２８、３８…コンデンサ、３６、４０…リアクトル、４２…遮断器、４４…電力系統、５２…電圧検出器、５８…タービン制御装置、５４…発電機速度制御装置、４６…直流電圧制御装置、Ｓ１１…タービン状態量、Ｓ１２…燃料調整量、Ｓ６…発電機電流検出値、Ｓ８、Ｓ５…ゲート信号、Ｓ３…直流電圧検出値、Ｓ１…システム交流電流検出値、Ｓ２…交流電圧検出値、Ｓ７…最適速度指令値、Ｓ９…システム出力電力検出値、Ｓ１０…電力指令値、Ｓ４…直流電圧指令値、５６、３６…電流検出器、６２…位相検出器、６４、７４、７６、９６、９８…減算器、６６、８６、８８…３相２相座標変換器、６８、９０…２相３相座標変換器、７０…速度演算器、７２…速度調整器、Ｓ１５…ｑ軸電流指令値、７８、８０、１００、１０２…電流調整器、Ｓ１６…ｑ軸電圧指令値、Ｓ１８…ｄ軸電圧指令値、Ｓ１７…ｄ軸電流指令値、８２、１０６…PWM演算器、Thg…発電機位相検出値、Omeg…回転数検出値、Id…ｄ軸電流検出値、Iq…ｑ軸電流検出値、８４…系統位相検出器、９４…直流電圧調整器、Ｓ２２…ｄ軸電流指令値、Ｓ２４…ｑ軸電流指令値、Ｓ２３…ｄ軸電圧指令値、Ｓ２５…ｑ軸電圧指令値、１０２、１０４、１２４…加算器、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８…出力電圧指令値、Idn…ｄ軸電流検出値、Iqn…ｑ軸電流検出値、Thn…系統位相検出値、１１０…交流電力調整器、Ｓ３０…補正された電力指令値、１１２…燃料換算器、１１４…最適速度演算器、１１６、１２８…速度指令演算器、１２７…速度指令演算器出力、１１８…振幅演算器、１２０…不感帯リミッタ、１２２…ゲイン乗算器、１２６…リミッタ
Claims (5)
- 交流発電機と、前記交流発電機を駆動するガスタービンと、交流−直流間の変換が可能で、その交流側が前記交流発電機に接続された第１の変換器と、直流−交流間の変換が可能で、その直流側が前記第１の変換器の直流側に接続された第２の変換器と、前記第１の変換器と前記第２の変換器との間に接続された平滑用コンデンサと、前記第２の変換器の交流側と電力系統との間に接続された遮断器と、前記第１の変換器を制御する発電機速度制御手段と、前記第２の変換器の直流側電圧を制御する直流電圧制御手段と、前記ガスタービンを制御するガスタービン制御手段を備え、
前記ガスタービン制御手段は、前記ガスタービンの状態量を取得し、この状態量から求まる前記交流発電機の最適回転数指令値を前記発電機速度制御手段に供給し、前記発電機速度制御手段は、最適回転数指令値に基づいて、前記第１の変換器を制御し、前記交流発電機の回転数を制御することを特徴とするガスタービン発電システム。 - 請求項１において、前記発電機速度制御手段は、前記交流発電機の出力電流を検出する手段を備え、前記交流発電機の電流検出値が所定値を超えた場合に、前記最適回転数指令値を変更し、前記交流発電機の回転数を変化させるガスタービン発電システム。
- 請求項１または２において、前記発電機速度制御手段は、前記ガスタービンが発生する機械的エネルギーの変動を、前記交流発電機の回転エネルギーに変換することにより、前記交流発電機の出力する電気的な変動を抑制する手段を備えたガスタービン発電システム。
- ガスタービンで駆動される交流発電機の出力を、交流−直流間の変換が可能な電力変換器を介して電力系統へ出力するガスタービン発電システムの制御方法において、
前記ガスタービン発電システムが交流発電機と、前記交流発電機を駆動するガスタービンと、交流−直流間の変換が可能で、その交流側が前記交流発電機に接続された第１の変換器と、直流−交流間の変換が可能で、その直流側が前記第１の変換器の直流側に接続された第２の変換器と、前記第１の変換器と前記第２の変換器との間に接続された平滑用コンデンサと、前記第２の変換器の交流側と電力系統との間に接続された遮断器と、前記第１の変換器を制御する発電機速度制御手段と、前記第２の変換器の直流側電圧を制御する直流電圧制御手段と、前記ガスタービンを制御するガスタービン制御手段を備え、
前記ガスタービン制御手段は、電力検出値と、電力指令と、前記ガスタービンの状態量とを入力して前記交流発電機の最適回転数指令値を出力し、前記発電機速度制御手段は、前記最適回転数指令値と発電機電流検出値とを入力し、前記第１の変換器の駆動信号を出力して、前記交流発電機の回転数を制御することを特徴とするガスタービン発電システムの制御方法。 - 請求項４において、前記発電機速度制御手段が、前記最適回転数指令値の増加に応じてトルク電流を減少させ、前記最適回転数指令値の減少に応じてトルク電流を増加させるガスタービン発電システムの制御方法。
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