JP4142144B2 - 発電施設を制御するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機敷設網に電力を供給する発電施設を制御するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における発電市場の規制解除は、電力供給者間の競争激化をもたらしてきた。特に、独立系電力供給者（ＩＰＰＳ）がますます市場ルールに影響を与えている。激化した競争と、発電所を稼働させるのに必要な高い投資額とによって、発電所の信頼性および有効性には高い期待が寄せられている。特に現在工業が発展しつつある国々は、継続的に成長する電力需要、そしてそれゆえの比較的不安定な敷設網によって特徴づけられる。このような状況においては、確実な敷設網稼働を維持するために、周波数応答を提供できる発電施設の能力が最大の重要事項となっている。それゆえガスタービン事業にとっては、安価、清浄、そして確実な電力供給という要求を満たすため、ガスタービン駆動される発電施設が、大きく急激な周波数変動に見舞われる可能性のある敷設網に対して、周波数応答を提供できるようにすることは重要である。マレーシアにおける最近の停電事故はこの要求の緊急性を強調している。
【０００３】
技術的には、発電施設の周波数応答動作は、３つの基本的な要求に要約される。それら能力は、
１）敷設網周波数の所定の降下毎に、ある電力の量を自動的に供給する
２）所定時間内に、すなわちある電力勾配で、この電力を供給する
３）広い周囲条件範囲および広い敷設網周波数範囲にわたり、前述能力を提供する、
ことである。
【０００４】
ガスタービンに関しては、温度限界、（電力および温度の）勾配限界、およびある部品が耐えうる負荷サイクル数の限界で、これらの要求を満足させることは限界となっている。これらの限界は、構成方法およびガスタービン制御装置により、周波数応答に対する市場要求を満たしさらに上回るように、押し上げる必要がある。以下においては、敷設網測定のデータ処理の仕組みが説明される。そこではダイナミックなＧＴ応答については敷設網要求が満足され、同時にこの動作モードがＧＴの寿命消費に与える有害な影響が最小化されるような方法で、ＧＴ電力制御器への信号が生成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
敷設網の周波数変動に迅速に応答すると同時にガスタービンの寿命消費を最小化する発電施設を制御するための方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
電気敷設網は公称周波数（ｆ_０）の周りを変動する敷設網周波数を有している。発電施設の電力出力は制御周波数の関数として制御され、制御周波数が公称周波数（ｆ_０）よりも低下した時には電力出力が増加し、制御周波数が公称周波数（ｆ_０）を超えた時には電力出力が減少するように制御される。
【０００７】
本発明においては、上記の発電施設はガスタービンを含んでおり、敷設網周波数を継続的に測定し、測定敷設網周波数（ｆ_ｍ）を、徐々に変化する平均敷設網周波数、移動平均として平均化し、敷設網周波数の長期間に渡る動きの特性を示すトレンド周波数が得られる。測定敷設網周波数が平均敷設網周波数の周囲のデッド帯域幅として所定の帯域内にある場合は、平均敷設網周波数を制御周波数として使用し、測定敷設網周波数が所定の帯域の外側にある場合は、測定敷設網周波数を制御周波数として使用して、上記のガスタービンの出力電力を上記の制御周波数の関数として制御することによって課題を解決するものである。
【０００８】
【実施例】
本発明のより完全な真価と、その多くの付随する利点とは、添付図面を関連させながら行われる以下の詳細な説明から参照される。
【０００９】
ガスタービンの周波数動作モードは、周波数エラーΔｆの関数としてのＧＴ電力制御器のセットポイントＰ_Ｃが、ドループ特性と称される所定の（線形な）特性によって自動的に変化することによって特徴づけられている。制御ループの基本的構成が図１に描かれている。測定敷設網周波数（ｆ_ｍ）は周波数セットポイント（ｆ_Ｃ；通常は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）と比較される。結果として得られた周波数エラー
Δｆ＝ｆ_ｍ−ｆ_ｃ
は次に、ローカル敷設網コードによって規定されているドループ特性を基づいて、要求電力信号ΔＰ_Ｃに変換される。以下では、関連する信号処理アルゴリズムを敷設網信号プロセッサ（ＧＳＰ、図１参照）と呼ぶ。ＧＳＰの出力は、（操作者によって選択された）電力セットポイントＰ_Ｃに加えられ、総合要求電力出力Ｐ_Ｃｔとなる。続いてこの信号は電力制御器に送られ、さらに測定電力出力Ｐ_ｍを総合要求電力出力Ｐ_ｃｔに調節するために、燃料流量（ｍ_ｆ）および／または可変吸入ガイド羽根（ＶＩＧＶ）に作用する。このループが確実かつ迅速な周波数応答を提供できるかどうかは、処理ダイナミクス（ＧＴ処理、測定、アクチュエータ）、電力制御器のダイナミクス、およびＧＳＰの品質にかかっている。
【００１０】
ここではＧＳＰに重点をおいて説明する。ＧＳＰは、敷設網要求を満たし、寿命消費への影響が最小となるようにガスタービンを動作させる適切な信号ΔＰ_ｃに、周波数信号Δｆを変換する。
【００１１】
定義１。
【００１２】
ドループ特性とは、周波数応答動作で稼働している発電所の周波数エラーに関して、電力出力の静的変化を決める関数ΔＰ（Δｆ）である。
【００１３】
理想的な、線形特性が図２に示されている。
【００１４】
定義２。
【００１５】
ドループは、図２に示され定義された線形な、理想的な特性のスロープを決める。ドループが低いほど、ドループ特性のスロープは高くなる。
【００１６】
発電施設において理想的なドループ特性を実行することは、結果的に任意の周波数エラー、特に測定および／または敷設網雑音によるエラーに対しても周波数応答することになるため実用的ではない。この雑音は、雑音の乗った施設の電力制御器の雑音の乗ったコマンド信号にマップされ、その結果施設の出力雑音を発生させる。これは施設操作者および敷設網操作者のいずれにとっても望ましくないことである。施設操作者にとっては、雑音の乗った信号によって施設を稼働させることは不必要な寿命消費に結びつく。これはガスタービン発電施設にとっては特に重大である。敷設網操作者にとっては、雑音の乗った施設出力は、敷設網の雑音レベルを増加させるため望ましくない。敷設網のドループ設定が低ければ低いほど、敷設網雑音が増幅されることに注意されたい。このような理由により理想的な特性は、公称周波数ｆ_０を中心として広がるデッド帯域を用いて修正される（図３参照）。ドループおよびデッド帯域の両方は敷設網操作者によって割り当てられる。しかしまたこの特性は、この特性を設計した目的を達成するような結果を生じることができないということも知られている。以下の節ではこの問題を分析し、敷設網および施設操作者両方の要求を満たす最適なＧＳＰを提案する。
【００１７】
ガスタービン駆動される発電施設用のＧＳＰを最適化するための基本は、敷設網ダイナミクスの分析である。英国の標準的な敷設網のトレースが説明用の例として図４に示されている。これらデータは、そのダイナミック特性により、ガスタービンの寿命に与える影響に焦点を当てた場合に周波数および振幅により分類することができる。この分析の結果は図５に要約されている。基本的には、敷設網のダイナミック信号内容は、重ね合わされた信号の３つのクラスに分類される。
【００１８】
クラス１信号は、分を単位とする水平軸上に敷設網の長期間の動きを表している（図４参照）。このタイプの動きはトレンドとも称される。これは電力消費の変動および敷設網自己ダイナミクスによって発生する。このため敷設網オーナーはクラス１信号についての周波数応答を受け取ることを望んでいる。クラス１信号は極めて傾斜が低く、発生する頻度が限られているため、クラス１信号はＧＴ寿命に与える影響は少ない。
【００１９】
クラス２信号は、周波数スペクトル全般に渡る低い振幅の信号であり、著しく発生割合（０（１０^５）毎年）が高い。発生頻度が高いため、ＧＴ寿命消費に大きな影響がある。他方、クラス２信号は基本的に偶発的効果（測定雑音、敷設網雑音）によって発生されるものであるため、周波数応答の対象ではない。それゆえこのタイプの信号に対しては周波数応答を抑制することが、敷設網オーナーおよび発電施設操作者にとっては有益である。
【００２０】
クラス３信号は極めて高い周波数内容、大きな振幅（典型的にはパルスまたはステップ）、および比較的低い発生頻度によって特徴づけられる。これらの信号は発電施設の誤動作のような突然の敷設網事故によって発生する。敷設網操作者にとっては、このタイプの事態に対して確実な周波数応答をすることは最大の重要事項である。これらの事態は他の信号クラスと比較すると、極めてまれであるため、ＧＴ寿命消費に対する影響は比較的低い。
【００２１】
上に説明した信号タイプを示す典型的なトレースが図６に示されている。上の分析に基づき、指定されたドループにしたがい信号クラス１および３に対する周波数応答を与え、そしてクラス２信号に対しては周波数応答を抑制するようにＧＳＰは構成される。このようなＧＳＰを構成する際に鍵となるのは、利用可能な周波数測定から３つのクラスを区別する方法である。
【００２２】
ダイナミック・デッド帯域の概念および機構
新しいＧＳＰの核心は、静的デッド帯域を、ダイナミックなデッド帯域によって置き換えることである。置き換えを行うことの根拠は、図７に示されたトレースを分析することにより明らかとなる。この図から明らかなことは、ほとんどの時間においてトレンド（クラス１信号）は静的デッド帯域外に存在しているため、静的デッド帯域は信号クラス２を他から識別することができないということである。しかしながらトレンドは敷設網の長期間の動きとして定義されているため、トレンドは敷設網周波数測定をトレンドフィルタを用いて適切にフィルタリングすることによって構成することができる（図８参照）。クラス２信号は周波数全域を占めることを思い起こせば、ダイナミックなフィルタを通しては識別できないことは明らかである。他方、図５および図８はクラス２信号がクラス１信号と振幅によって識別され得ることを示唆している。換言すればトレンドからの小さな偏りはいずれも定義により、クラス２信号と見なされ周波数応答は抑制されるべきであるということである。これは公称周波数ｆ_０ではなくトレンドの中心とした周囲にデッド帯域を設けることによって容易に成し遂げることができる。このデッド帯域の位置はトレンドと共に変化するため、ダイナミック・デッド帯域と称される。
【００２３】
トレンド信号もまたダイナミック・デッド帯域と共に、クラス３信号を検出するための機構を与える。定義によりダイナミック・デッド帯域を逸脱する任意の敷設網信号はクラス３信号（振幅大、高周波数）である。この原理は図９に描かれている。
【００２４】
ここに述べたＧＳＰの動作の基本的機構を要約すると以下のようになる。
【００２５】
理想的な特性（図２）に送られる信号は、測定敷設網信号がダイナミック・デッド帯域内にある限りはトレンド信号であり、敷設網信号がダイナミック・デッド帯域を逸脱している時間に関しては測定敷設網信号である。このようにして周波数応答は敷設網に関係のある事象に制限され、敷設網雑音はほとんどの時間にわたって抑制される。クラス３信号はクラス２信号と重なり合っている周波数域を有することがあるため、クラス３信号に応答中は、敷設網雑音は抑制できないことに注意されたい。しかしながらこれら事象の間に、寿命に支配的な影響を与えるのはクラス２信号ではなくクラス３信号（クラス３のより大きい振幅のため）であり、クラス３事象はまれであるため、ＧＴ寿命には心配はない。この機構を用いて得られる典型的なトレースが図１０に示されている。
【００２６】
デッド帯域手順は以下の通りである。
【００２７】
ａ）縮小／拡張に関して
図１０に描かれたトレースは、測定周波数信号がデッド帯域の近くに留まっている場合に生じる問題を明らかにしている。この状況においては、（クラス２信号によって生じる）頻繁にデッド帯域からの逸脱およびデッド帯域への再エントリが起こることがあり、その都度トレンド信号から周波数測定へのジャンプを、そしてトレンドへの逆戻りをトリガすることになる。この効果をチャッタリングと呼ぶ。チャッタリングは縮小デッド帯域の使用によって回避することができる。測定周波数がデッド帯域を逸脱すると直ちに、デッド帯域を極めて小さな値にまで減少させるという着想である。このようにしてチャッタリングがクラス２信号によりトリガされることはなくなる。デッド帯域は、測定周波数が縮小デッド帯域に戻ると直ちに元のように拡張される。図１１にこの機構を概略的に示し、図１２にこの機構を簡単な周波数トレースについて描いている。デッド帯域縮小の結果として、ＧＳＰ出力は、クラス２信号が縮小デッド帯域に入るまで、クラス２信号を含むことになる。これはＧＴ寿命に何の問題をもたらすものではない。クラス３事象は比較的まれ（ゆえにデッド帯域縮小／拡張もまれ）にしか起こらず、デッド帯域への再エントリ発生までに必要な時間は短い（ゆえにクラス２事象の数も少ない）からである。図１３は敷設網信号処理のブロック図を示している。このブロック図は当業技術者にとっては理解できるものである。
【００２８】
ｂ）デッド帯域シフトに関して
デッド帯域縮小を必要とせずにチャッタリング問題を取り扱う別の方法は、デッド帯域シフトである。この機構ではトレンドフィルタは、測定周波数がデッド帯域に再エントリするたびに再初期化される。この時点でトレンドフィルタは再エントリの瞬間における測定周波数で初期化される。結果として、（トレンドを中心とする）デッド帯域が、その全体幅の半分だけシフトされる。このようにして、分離されたクラス３事象に関しては、デッド帯域内への円滑な再エントリが確立され、クラス２信号によってトリガされる再エントリの場合にはチャッタリングが除去される。後者が達成されるのは、クラス２の再エントリの結果、デッド帯域シフトが起こると、その後は新たなトレンドに対するクラス２事象をすべて除外するためである。サンプル・トレースが図１４に示されている。
【００２９】
ｃ）所定デッド帯域逸脱時間に関して
測定周波数がデッド帯域外に存在することができる最大時間を規定するための別の手順がありうる。この機構は、前段落において説明したデッド帯域シフトと共にドループ特性を通過するクラス２事象の数を最小化する可能性を与える。
【図面の簡単な説明】
【図１】周波数動作モードを示す図である。
【図２】静的特性を示す図である。
【図３】デッド帯域静的特性を示す図である。
【図４】典型的な敷設網推移を示す図である。
【図５】信号クラスの定義を示す図である。
【図６】信号クラスの例を示す図である。
【図７】信号クラスの静的デッド帯域を示す図である。
【図８】信号クラスのトレンドを示す図である。
【図９】信号クラスのダイナミック・デッド帯域を示す図である。
【図１０】定ダイナミック・デッド帯域のＧＳＰ出力を示す図である。
【図１１】デッド帯域の縮小／拡張を示す図である。
【図１２】デッド帯域の縮小／拡張を示す図である。
【図１３】ＧＳＰのブロック図である。
【図１４】デッド帯域シフトを示す図である。
【符号の説明】
ｆ_ｃ セットポイント
ｆ_ｍ 測定敷設網周波数
ＧＳＰ 敷設網信号プロセッサ
ｍ_ｆ 燃料流量
Ｐ_ｃ セットポイント
Ｐ_ｃｔ 総合要求電力出力
Ｐ_ｍ 測定された電力出力
ＶＩＧＶ 可変吸入ガイド羽根
Δｆ 周波数エラー

Claims (12)

1. 電気敷設網に電力を供給する発電施設を制御する方法であって、
   前記敷設網はＡＣ敷設網であり、公称周波数（ｆ_０）の周りを変動する敷設網周波数を有し、
   前記発電施設の電力出力を制御周波数の関数として制御し、制御周波数が前記公称周波数（ｆ_０）より低下している時には電力出力を増加させ、制御周波数が前記公称周波数（ｆ_０）を越えている時には電力出力を減少させる方法において、
   前記発電施設はガスタービン（ＧＴ）を含んでおり、
   前記敷設網周波数を継続的に測定し、
   測定敷設網周波数（ｆ_ｍ）を、徐々に変化する平均敷設網周波数すなわち敷設網周波数の長期間の動きを特徴付けるトレンド周波数に、移動平均として平均化し、
   前記測定敷設網周波数が、前記平均敷設網周波数の周囲の所定の帯域すなわちデッド帯域内にある場合は、前記平均敷設網周波数を前記制御周波数として用い、
   前記測定敷設網周波数が、前記所定の帯域外にある場合は、前記測定敷設網周波数を前記制御周波数として用いて前記ガスタービンの出力電力を前記制御周波数の関数として制御することを特徴とする
   制御方法。
2. 前記出力電力が、前記制御周波数の線形な、または非線形な関数である、
   請求項第１項に記載の方法。
3. 前記デッド帯域が上方デッド帯域と下方デッド帯域とから構成される、
   請求項第１項または第２項に記載の方法。
4. 前記上方デッド帯域および下方デッド帯域を、等しい帯域幅、または等しくない帯域幅、または時間の経過と共に変化する帯域幅で構成する、
   請求項第３項記載の方法。
5. 前記公称周波数（ｆ_０）が５０または６０Ｈｚであり、
   前記上方および下方デッド帯域の前記帯域幅が約０．０１５Ｈｚである、
   請求項第３項記載の方法。
6. 前記デッド帯域の帯域幅が一定に保たれている、
   請求項第１項から第５項までのいずれか１項に記載の方法。
7. 測定敷設網周波数が前記デッド帯域内にある限り、前記デッド帯域の帯域幅を第１レベルに保ち、
   測定敷設網周波数が前記デッド帯域の境界を越えて前記デッド帯域を逸脱した場合に、前記デッド帯域の前記帯域幅が第１レベルよりも低い第２レベルにまで減少させ、
   前記測定敷設網周波数が、帯域幅を縮小した前記デッド帯域の前記境界を越えて前記デッド帯域に再入り込みした場合に、前記デッド帯域の前記帯域幅は前記第２から前記第１レベルに増加させて戻す、
   請求項第１項から第５項までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記帯域幅の前記第１レベルが約０．０３０Ｈｚである、
   請求項第７項に記載の方法。
9. 前記測定敷設網周波数が、前記デッド帯域を逸脱後再入り込みした時にはいつでも、前記平均敷設網周波数を与えるための、前記測定敷設網周波数を平均化する処理を停止して、新しい平均化処理を開始する、
   請求項第６項に記載の方法。
10. 前記測定敷設網周波数が、所定の最大時間よりも長い間前記デッド帯域外にある場合に、前記平均敷設網周波数を与えるための、前記測定敷設網周波数を平均化する処理を停止して、新しい平均化処理を開始する、
    請求項第６項に記載の方法。
11. 前記平均敷設網周波数を与えるための、前記測定敷設網周波数を平均化する前記処理をフィルタ装置によって行う、
    請求項第１項から第１０項までのいずれか 1 項に記載の方法。
12. 前記フィルタ装置がローパスフィルタからなる、
    請求項第１１項に記載の方法。

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