JP4656029B2

JP4656029B2 - 系統周波数安定化装置及び方法

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Publication number: JP4656029B2
Application number: JP2006255201A
Authority: JP
Inventors: 信廣関
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008075529A

Description

本発明は、給電指令装置からの負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電所の発電機の出力指令値を演算し、発電機出力がその出力指令値になるように制御して、系統周波数を定格周波数の所定範囲内に制御する系統周波数安定化装置及び方法に関する。

一般に、電力系統は所定の定格周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を維持するように運用されている。電力系統の負荷需要が増加すると系統周波数は低下し、負荷需要が減少すると系統周波数は上昇するので、電力需要の状況（例えば日負荷曲線）に応じて給電指令装置から負荷指令信号（ＤＰＣ信号）が出力され、発電所の発電機出力を負荷指令信号を保つように運転し、系統周波数を所定の定格周波数に維持するようにしている。

また、一時的に負荷が急増した場合や負荷遮断が発生した場合には、発電機出力を負荷指令信号に維持するだけの運転では、系統周波数を所定の定格周波数に維持することができないので、給電指令装置から自動周波数制御信号（ＡＦＣ信号）が出力され、これら負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電機出力を制御し、系統周波数を所定の定格周波数に維持するようにしている。

例えば、火力発電所では、給電指令装置から負荷指令信号が変化した場合や新たに自動周波数制御信号が入力されると、プラント統括制御装置は負荷指令信号や自動周波数制御信号に基づいて火力発電所の発電機の出力指令値を演算し、その出力指令値に見合った蒸気を発生するようにバーナへの燃料流量や給水流量等を制御するとともに、発電機の出力指令値をタービン制御装置に出力する。タービン制御装置は発電機出力がその出力指令値になるように蒸気加減弁（ＣＶ）を制御する。

ここで、タービン制御装置から送られるＣＶ開度指令信号が出力される途中において、実機運転特性（主蒸気圧力、温度）とタービン制御系の固有値（加減弁流量特性、傾斜調定率）とを補正する制御系補正回路を追加して設け、理想的なＣＶ開度特性及びＣＶ通過流量を得て、傾斜調定率を安定させ負荷追従性を向上させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−８２１０５号公報

しかし、特許文献１のものでは、タービン制御装置以降の蒸気加減弁ＣＶの制御追従性は改善されるが、タービン制御装置自体が持つ追従性不足には対応できない。特に、タービン制御装置が機械式調速機ＭＨＣである場合には、ガバナ機構部のフリクション大による追従遅れが生じるので、タービン制御装置以降の蒸気加減弁ＣＶの制御追従性が良くても、発電機出力を発電機の出力指令値に応答性良く追従させることができない。この機械式調速機ＭＨＣの追従遅れは各火力発電所の間でバラツキがある。

従って、自動周波数制御信号（ＡＦＣ信号）による実際の発電機出力の立ち上がり（立ち下がり）が遅くなり、系統周波数を所定の定格周波数範囲内に速やかに維持することができない場合がある。ガバナ機構部のメンテナンスを行うことで機械式調速機ＭＨＣの追従遅れを改善することができるがコストがかかる。

また、ボイラの追従性が悪いと出力指令値に見合った蒸気を発生するのに時間がかかり、実際の発電機出力が出力指令値になるまでに時間がかかる。この場合にも、系統周波数を所定の定格周波数範囲内に速やかに維持することができなくなる。

本発明の目的は、自動周波数制御信号が入力されたときに系統周波数を所定の定格周波数範囲内に速やかに維持することができる系統周波数安定化装置及び方法を提供することである。

請求項１の発明に係わる系統周波数安定化装置は、給電指令装置からの負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電所の発電機の出力指令値を演算しその出力指令値に見合った蒸気を蒸気発生器が発生するように前記蒸気発生器を制御するプラント統括制御装置と、前記発電所の発電機出力が前記プラント統括制御装置からの出力指令値になるように蒸気加減弁を制御し系統周波数を定格周波数の所定範囲内に制御するタービン制御装置とを備えた系統周波数安定化装置において、前記プラント統括制御装置は、前記自動周波数制御信号に基づいて周波数調整用負荷指令信号を演算する周波数調整用負荷指令演算部と、前記周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号を演算する補正演算部と、前記補正演算部で得られた補正信号を前記周波数調整用負荷指令信号に加算して補正周波数調整用負荷指令信号を得る加算器と、前記加算器で得られた補正周波数調整用負荷指令信号を前記負荷指令信号に加算して発電機の出力指令値として出力する加算器とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる系統周波数安定化装置は、請求項１の発明において、前記補正演算部は、前記周波数調整用負荷指令信号の変動量を微分する微分回路と、前記周波数調整用負荷指令信号に所定のゲインを乗算する比例回路と、微分回路及び比例回路の加算出力が所定の制限値を逸脱しないように制限を加えるリミッターとを備えたことを特徴とする。

請求項３の発明に係わる系統周波数安定化方法は、給電指令装置からの負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電所の発電機の出力指令値を演算し、前記発電所の発電機出力が演算した出力指令値になるように蒸気加減弁を制御し、系統周波数を定格周波数の所定範囲内に制御する系統周波数安定化方法において、前記給電指令装置からの自動周波数制御信号に基づいて周波数調整用負荷指令信号を演算し、前記周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号を演算し、この補正信号を前記周波数調整用負荷指令信号に加算して補正周波数調整用負荷指令信号を演算し、演算した補正周波数調整用負荷指令信号を前記負荷指令信号に加算して発電機の出力指令値として出力することを特徴とする。

請求項４の発明に係わる系統周波数安定化方法は、請求項３の発明において、前記周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号は、前記周波数調整用負荷指令信号の変動量を微分し、前記周波数調整用負荷指令信号の変動量に所定のゲインを乗算して比例値を求め、微分値及び比例値が所定の制限値を逸脱しないように制限を加えて求めることを特徴とする。

本発明によれば、給電指令装置からの自動周波数制御信号があったときは、自動周波数制御信号に基づいて周波数調整用負荷指令信号を演算し、その周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号を演算し、周波数調整用負荷指令信号に加算して、絶対値を大きくした補正周波数調整用負荷指令信号を演算する。そして、その補正周波数調整用負荷指令信号をさらに負荷指令信号に加算し発電機の出力指令値とするので、発電機の出力指令値が周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた大きな指令値となり、実際の発電機出力の出力指令値への追従性が良くなる。

図１は本発明の実施の形態に係わる系統周波数安定化装置の構成図である。図１では、コンベンショナルな火力発電所に系統周波数安定化装置を適用した場合を示している。ボイラ１１で発生した蒸気は、図示省略の主蒸気止め弁を介して蒸気加減弁（ＣＶ）１２で蒸気流量が調節されて蒸気タービン１３に供給される。そして、蒸気タービン１３で発電機１４を駆動し、発電機１４から所定の発電機出力を得るようにしている。

発電機１４の発電機出力ＭＷは、図示省略の給電指令装置からの負荷指令信号ＤＰＣになるように制御される。また、給電指令装置からは自動周波数制御信号ＡＦＣが出力され、系統周波数が所定の定格周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の範囲内（定格周波数±０．２Ｈｚ）を維持するように制御される。また、１日の周波数偏差の積分値（時差）が±１５秒以内になるように制御される。

給電指令装置からの負荷指令信号ＤＰＣや自動周波数制御信号ＡＦＣは、プラント統括制御装置１５に入力される。プラント統括制御装置１５は負荷指令信号ＤＰＣや自動周波数制御信号ＡＦＣに基づいて火力発電所の発電機の出力指令値ＭＷｒを演算し、ボイラ制御装置１６に信号ＭＷｂを出力するとともに、タービン制御装置１７に信号ＭＷｔを出力する。

ボイラ制御装置１６の主蒸気圧力制御系１８は、信号ＭＷｂに基づいて発電機の出力指令値ＭＷｒに見合った蒸気を発生するようにバーナへの燃料流量や給水流量等を制御する。一方、タービン制御装置１７の主蒸気流量制御系１９は、信号ＭＷｔに基づいて、発電機出力ＭＷがその出力指令値ＭＷｒになるように蒸気加減弁１２を制御する。これにより、系統周波数が定格周波数の所定範囲内を維持するように制御する。

給電指令装置からの負荷指令信号ＤＰＣはプラント統括制御装置１５の加算器２２に入力されるとともに減算器２５に入力され発電機出力ＭＷと比較され、出力偏差ΔＰ１が求められる。この出力偏差ΔＰ１は周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒによる発電機出力に相当するものである。

一方、給電指令装置からの自動周波数制御信号ＡＦＣは、プラント統括制御装置１５の周波数調整用負荷指令演算部２０に入力される。周波数調整用負荷指令演算部２０は、自動周波数制御信号ＡＦＣに基づいて周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒを演算し、減算器２６に出力するとともに加算器２７に出力する。周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒは系統周波数の変動を補償するための出力指令値である。

減算器２６は、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒと出力偏差ΔＰ１との差分ΔＰ２を演算し、その差分ΔＰ２を補正演算部２１に出力する。この差分ΔＰ２は、出力偏差ΔＰ１が周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒによる発電機出力に相当するものであることから、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒによる発電機出力の変動量に相当するものである。

補正演算部２１は、減算器２６からの周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒと出力偏差ΔＰ１との差分ΔＰ２に基づいて、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒによる発電機出力の変動量に応じた補正信号ａを演算する。補正演算部２１で演算された補正信号ａは加算器２７に入力され、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒと加算されて、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒより大きくした補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａを得る。加算器２７で得られた補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａは、加算器２２に出力される。

ここで、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒより大きくした補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａを求めるのは、ボイラ制御装置１６やタービン制御装置１７自体が持つ追従性不足に対応できるようにするためである。

加算器２７で得られた補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａは、さらに加算器２２で、給電指令装置からの負荷指令信号ＤＰＣに加算され、発電機の出力指令値ＭＷｒとしてボイラマスタ２３及びタービンマスタ２４に出力される。ボイラマスタ２３は、ボイラ１１が発電機の出力指令値ＭＷｒに見合った蒸気を発生するように、ボイラ制御装置１６に信号ＭＷｂを出力する。ボイラ制御装置１６の主蒸気圧力制御系１８は、信号ＭＷｂを入力すると、発電機の出力指令値ＭＷｒに見合った蒸気を発生するようにバーナへの燃料流量や給水流量等を制御する。

タービンマスタ２４は、タービン１３に発電機出力ＭＷがその出力指令値ＭＷｒになるようにタービン制御装置１７に信号ＭＷｔを出力する。タービン制御装置の主蒸気流量制御系１９は、信号ＭＷｔを入力すると、発電機出力ＭＷがその出力指令値ＭＷｒになるように蒸気加減弁１２を制御する。

図２は、本発明の実施の形態に係わる系統周波数安定化装置の各部の信号波形図である。図２では発電機出力ＭＷを増加させる自動周波数制御信号ＡＦＣが入力された場合を示している。この場合は、上げ側のＡＦＣ信号で説明しているが、下げ側も信号は逆方向であるが同様となる。

いま、給電指令装置からの負荷指令信号ＤＰＣが発電機出力ＭＷ０であるとする。この状態で系統周波数が低下し、その系統周波数の低下を補償するための自動周波数制御信号ＡＦＣの上げ信号が時点ｔ１において入力されたとする。時点ｔ１以前においては、発電機の発電機出力ＭＷは負荷指令信号ＤＰＣで示される発電機出力ＭＷ０である。

時点ｔ１で自動周波数制御信号ＡＦＣが入力されると、プラント統括制御装置１５の周波数調整用負荷指令演算部２０は、例えば、自動周波数制御信号ＡＦＣに対し比例及び積分演算を施し、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒを求める。周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒは系統周波数の変動を補償するための出力指令値であり、図２では、発電機出力をΔＭＷ分だけ増加させるための出力指令値となる。

次に、補正演算部２１は、周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号ａを演算する。例えば、減算器２６で得られた周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒの変動量（ΔＰ２）に対して微分回路で微分を施し、比例回路でゲインを乗算して比例信号を求め、これらを加算して周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒの変動量に応じた補正信号ａを得る。

この場合、補正信号ａが大きすぎると補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａが大きくなりすぎる場合があるので、リミッターを設け、微分回路の出力及び比例回路の出力が所定の制限値を逸脱しないように制限を加える。

そして、負荷指令信号ＤＰＣに補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａを加算して発電機の出力指令値ＭＷｒを演算する。この出力指令値ＭＷｒに基づき、プラント統括制御装置１５のボイラ制御装置１６は、タービン１３に供給される蒸気の圧力を制御し、タービン制御装置１７は、タービン１３に供給される蒸気の流量を制御し、発電機出力ＭＷが出力指令値ＭＷｒになるように制御する。

この場合、ボイラ１１やタービン制御装置１７自体が持つ追従性の遅れから、図２の発電機出力ＭＷに示すように、発電機出力ＭＷは出力指令値ＭＷｒに対して遅れて追従し、時点ｔ２で最終目標値（ＭＷ０＋ΔＭＷ）となる。なお、曲線ＭＷ’は周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒに補正を加えない場合の発電機出力であり、この場合には時点ｔ３で最終目標値（ＭＷ０＋ΔＭＷ）となり、かなり遅れることになる。

ここで、発電機出力ＭＷの本来の出力指令値は、負荷指令信号ＤＰＣと周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒとを加算した値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）であり、発電機出力ＭＷがこの本来の出力指令値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）に沿って変化することが望ましい。出力指令値ＭＷｒをこの本来の出力指令値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）とした場合には、発電機出力は曲線ＭＷ’となる。

一方、本発明の実施の形態のように、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒに補正を加えて補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａとし、出力指令値ＭＷｒを（ＤＰＣ＋ＡＦＣａ）とする。そして、発電機出力ＭＷを本来の出力指令値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）に沿って変化させるようにする。従って、補正周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣａは、実際の発電機出力ＭＷが本来の出力指令値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）に沿って変化するように、周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒの絶対値を大きくするように補正する。

この場合、発電機出力ＭＷが本来の出力指令値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）を超えないようにする。また、微分回路及び比例回路を用いて周波数調整用負荷指令信号ＡＦＣｒに補正を加える場合には、発電機出力ＭＷが本来の出力指令値（ＤＰＣ＋ＡＦＣｒ）を超えないように、リミッターの設定値を設定することになる。これにより、発電機出力ＭＷは従来の曲線ＭＷ’に対し、斜線部分だけ発電機出力を早期に出力できる。つまり、追従遅れを少なくして自動周波数制御信号ＡＦＣ通りに発電機出力ＭＷを制御できる。以上の説明では、火力発電所に適用した場合について説明したが、ガバナ機構を持つタービン発電設備に対して適用することも可能である。

本発明の実施の形態によれば、発電機の出力指令値を大きな指令値に補正するので、実際の発電機出力の出力指令値への追従性が良くなる。また、発電機出力の追従性が向上することから周波数変動が少なくなり、その結果として、自動周波数制御信号による周波数の修正量が小さくなる。従って、発電機による発電機出力の変動も小さくなり、発電所にとって外乱である自動周波数制御信号ＡＦＣによる修正動作が小さく安定する。これにより、発電所の燃費が向上し、ＣＯ_２を低減できるとともにＮＯｘ及びばい煙排出量の変動も軽減でき、各操作端の動作も安定するので長寿命化が図れる。

本発明の実施の形態に係わる系統周波数安定化装置の構成図。本発明の実施の形態に係わる系統周波数安定化装置の各部の信号波形図。

符号の説明

１１…ボイラ、１２…蒸気加減弁、１３…蒸気タービン、１４…発電機、１５…プラント統括制御装置、１６…ボイラ制御装置、１７…タービン制御装置、１８…主蒸気圧力制御系、１９…主蒸気流量制御系、２０…周波数調整用負荷指令演算部、２１…補正演算部、２２…加算器、２３…ボイラマスタ、２４…タービンマスタ、２５…減算器、２６…減算器、２７…加算器

Claims

給電指令装置からの負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電所の発電機の出力指令値を演算しその出力指令値に見合った蒸気を蒸気発生器が発生するように前記蒸気発生器を制御するプラント統括制御装置と、前記発電所の発電機出力が前記プラント統括制御装置からの出力指令値になるように蒸気加減弁を制御し系統周波数を定格周波数の所定範囲内に制御するタービン制御装置とを備えた系統周波数安定化装置において、前記プラント統括制御装置は、前記自動周波数制御信号に基づいて周波数調整用負荷指令信号を演算する周波数調整用負荷指令演算部と、前記周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号を演算する補正演算部と、前記補正演算部で得られた補正信号を前記周波数調整用負荷指令信号に加算して補正周波数調整用負荷指令信号を得る加算器と、前記加算器で得られた補正周波数調整用負荷指令信号を前記負荷指令信号に加算して発電機の出力指令値として出力する加算器とを備えたことを特徴とする系統周波数安定化装置。
前記補正演算部は、前記周波数調整用負荷指令信号の変動量を微分する微分回路と、前記周波数調整用負荷指令信号に所定のゲインを乗算する比例回路と、微分回路及び比例回路の加算出力が所定の制限値を逸脱しないように制限を加えるリミッターとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の系統周波数安定化装置。
給電指令装置からの負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電所の発電機の出力指令値を演算し、前記発電所の発電機出力が演算した出力指令値になるように蒸気加減弁を制御し、系統周波数を定格周波数の所定範囲内に制御する系統周波数安定化方法において、前記給電指令装置からの自動周波数制御信号に基づいて周波数調整用負荷指令信号を演算し、前記周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号を演算し、この補正信号を前記周波数調整用負荷指令信号に加算して補正周波数調整用負荷指令信号を演算し、演算した補正周波数調整用負荷指令信号を前記負荷指令信号に加算して発電機の出力指令値として出力することを特徴とする系統周波数安定化方法。
前記周波数調整用負荷指令信号による発電機出力の変動量に応じた補正信号は、前記周波数調整用負荷指令信号の変動量を微分し、前記周波数調整用負荷指令信号の変動量に所定のゲインを乗算して比例値を求め、微分値及び比例値が所定の制限値を逸脱しないように制限を加えて求めることを特徴とする請求項３に記載の系統周波数安定化方法。