JP5675675B2

JP5675675B2 - コンバインド発電システム、及びコンバインド発電システムの運転方法

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Publication number: JP5675675B2
Application number: JP2012044819A
Authority: JP
Inventors: 陽喜椋本; 眞竹　徳久; 徳久眞竹; 勝仁桐木平
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013181439A

Description

本発明は、燃料電池及びガスタービンを有するコンバインド発電システム及びコンバインド発電システムの運転方法に関するものである。

例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に代表される燃料電池は、高効率な燃料電池として知られている。
このような燃料電池は、７００℃から１０００℃の作動温度で高いイオン伝導率により運転されるので、ガスタービンシステムの圧縮機から吐出される高温の圧縮空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用し、燃料電池において未利用の燃料成分を含む高温の排燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用する複合型発電システムを実現することができる。

一方で、ＳＯＦＣは発電素子を高温状態にして発電動作させる必要があることから起動及び停止に時間を要するので、運転と停止において温度を制御する必要がある。さらに、ガスタービンシステムによる発電の過程で発生した熱をＳＯＦＣの発電部の温度保持に用いる場合は、電力の供給先となる外部電力系統が要求する負荷変化に追従した運転となるため、ガスタービンに係る負荷に応じてＳＯＦＣに温度変化が生じる。このため、ＳＯＦＣの適正な運転状態を維持するためには、負荷変化を緩やかにする必要がある。特に、外部電力系統に異常が発生し、外部電力系統に送電できなくなった場合に、電源、制御器、及びブロワ等の補機を保護するために停止制御する必要がある。

ここで、特許文献１には、ＳＯＦＣと、ＳＯＦＣと電気的に接続され発電電力を貯蔵するＮａ電池とを備えた複合型発電システムであって、ＳＯＦＣからの高温の排ガスをＮａ電池の加熱部に送るための第１排ガス流路と、この排ガスを蒸気タービン発電機に送る第２排ガス流路とを備え、排ガスでＮａ電池を加熱するとともに、蒸気タービン発電機も作動させるようにして、排熱を有効利用して総合効率を高めるようにした発電システムが記載されている。このように、特許文献１に記載の発電システムは、ＳＯＦＣの発電電力がＮａ電池に送られて充電され、電力負荷率に係らず一定負荷で運転できる。

特開２００１−２２９９６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発電システムでは、ＳＯＦＣにおける発電電力のみをＮａ電池に充電させ、ＳＯＦＣの排熱をＮａ電池で利用することで総合効率を高めているため、外部電力系統の負荷に急激な変化が生じた場合に、発電量を最適に制御することが難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、外部電力系統に異常が発生し、要求される負荷が急激に変化しても正常な運転制御を可能とする、コンバインド発電システム、及びコンバインド発電システムの運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のコンバインド発電システム、及びコンバインド発電システムの運転方法は以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係るコンバインド発電システムは、燃焼器、ガスタービン、及び前記ガスタービンによる電力を外部電力系統に供給する第１負荷装置を有するガスタービンシステムと、燃料電池、及び該燃料電池で発電する電力を前記外部電力系統に供給する第２負荷装置を有する燃料電池システムと、前記外部電力系統、前記第１負荷装置、及び前記第２負荷装置に接続された二次電池と、前記外部電力系統の異常を検知する異常検知手段と、前記異常検知手段が前記外部電力系統の異常を検知した場合に、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先を前記外部電力系統から前記二次電池へ切り替える切替手段と、を備え、前記ガスタービンシステム及び前記燃料電池システムは、前記外部電力系統の異常が検知されてから所定時間が経過しても前記外部電力系統の異常が解消したことが検知されない場合、それぞれの運転を停止するために負荷減少制御が行われ、前記二次電池は、異常検知前は、前記所定時間の間に供給される電力及び前記負荷減少制御が行われる間に供給される電力を充電できる充電残容量を有するように設定され、前記所定時間経過後は、前記ガスタービンシステムを制御するための電源、前記燃料電池システムを制御するための電源、及び補機を制御するための電源へ電力を供給することを特徴とする。

本構成によれば、コンバインド発電システムは、圧縮された空気によって燃料を燃焼する燃焼器、燃焼器から排出された燃焼ガスによって回転駆動するガスタービン、及びガスタービンの回転力を得て発電して外部電力系統に供給する第１負荷装置を有するガスタービンシステムと、燃料ガス及び空気が供給されて発電する燃料電池、及び燃料電池で発電した電力を外部電力系統に供給する第２負荷装置を有する燃料電池システムと、電力を充放電可能とされ、外部電力系統、第１負荷装置、及び第２負荷装置に接続された二次電池と、を備える。

ここで、外部電力系統に異常が発生した場合、ガスタービンシステム及び燃料電池システムに要求される負荷が急激に減少する場合がある。このような場合、ガスタービンシステム及び燃料電池システムの発電電力の供給先がなくなり、ガスタービンシステム及び燃料電池システムのトリップを招くこととなる。また、燃料電池は、非常に高温で運転するため、燃料電池を停止させる場合、徐々に負荷を減少させて温度を低下させる制御を行う必要がある。しかし、急激な負荷の減少が生じると、正常な停止制御を行えない。

そこで、本構成は、外部電力系統に異常が発生し、異常検知手段が外部電力系統の異常を検知した場合、ガスタービンシステムが有する第１負荷装置、及び燃料電池システムが有する第２負荷装置からの電力の供給先を、切替手段によって外部電力系統から二次電池へ切り替える。これにより、外部電力系統に異常が発生した場合であっても、ガスタービンシステム及び燃料電池システムの発電電力の供給先が確保され、第１負荷装置及び第２負荷装置の運転状態を維持することとなる。
従って、本構成は、二次電池へ供給している間に、ガスタービンシステム及び燃料電池システムを正常に運転し続けることや、徐々に負荷を減少させることによって、ガスタービンシステム及び燃料電池システムを正常に停止させることができる。特に燃料電池は、負荷を徐々に下げながら停止させることができるので、冷却用不活性ガスの使用量を低減することができる。
このように、本構成は、外部電力系統に異常が発生し、要求される負荷が急激に変化しても正常な運転制御が可能である。

上記第一態様では、前記切替手段が、前記外部電力系統の異常が検知されてから所定時間の間に前記外部電力系統の異常が解消したことが検知された場合、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先を、前記二次電池から前記外部電力系統へ切り替えることが好ましい。

本構成によれば、外部電力系統の異常が発生してから所定時間の間に該異常が解消したことが検知された場合、電力の供給先が二次電池から外部電力系統へ切り替えられるので、外部電力系統の異常が早期に解消した場合、外部電力系統への電力供給を遅滞なく実施することが可能となる。

上記第一態様では、前記ガスタービンシステム及び前記燃料電池システムは、前記所定時間が経過しても前記外部電力系統の異常が解消したことが検知されない場合、それぞれの運転を停止するために負荷減少制御が行われるが好ましい。

本構成によれば、外部電力系統の異常が発生してから所定時間が経過しても該異常が解消したことが検知されない場合、ガスタービンシステム及び燃料電池システムを運転し続ける必要はないと考えられるので、二次電池へ電力を供給したままで、負荷を減少させて停止させる。これにより、本構成は、外部電力系統の異常が発生しても、ガスタービンシステム及び燃料電池システムを正常に停止させることができる。

上記第一態様では、二次電池が、前記所定時間の間に前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置から供給される電力を充電し、かつ前記負荷減少制御が行われている間に前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置から供給される電力を充電することが好ましい。
また、二次電池は、異常検知前に、供給される電力及び負荷減少制御が行われる間に供給される電力を充電できる充電残容量を有するように設定され、所定時間経過後は、ガスタービンシステムを制御するための電源、燃料電池システムを制御するための電源、及び補機を制御するための電源へ電力を供給する。

本構成によれば、外部電力系統の異常が発生しても、ガスタービンシステム及び燃料電池システムが停止するまでの発電電力を二次電池が充電するので、ガスタービンシステム及び燃料電池システムを所定時間の間正常に運転することができ、かつその後正常に停止させることができる。

上記第一態様では、前記二次電池が、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先が前記二次電池へ切り替えられた後、前記ガスタービンシステムを制御するための電源、前記燃料電池システムを制御するための電源、及び補機を制御するための電源へ電力を供給することが好ましい。

本構成によれば、外部電力系統に異常が発生しても、ガスタービンシステム及び燃料電池システムの継続した運転制御が可能である。

上記第一態様では、前記二次電池は、前記燃料電池の内部に収容されて前記燃料電池で発生する熱によって作動してもよい。
本発明の第二態様に係るコンバインド発電システムの運転方法は、燃焼器、ガスタービン、及び該ガスタービンによる電力を外部電力系統に供給する第１負荷装置を有するガスタービンシステムと、燃料電池、及び該燃料電池で発電する電力を前記外部電力系統に供給する第２負荷装置を有する燃料電池システムと、前記外部電力系統、前記第１負荷装置、及び前記第２負荷装置に接続された二次電池と、前記外部電力系統の異常を検知する異常検知手段と、を備えるコンバインド発電システムの運転方法であって、前記異常検知手段によって前記外部電力系統に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、前記外部電力系統に異常が発生したと判定した場合に、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先を、前記外部電力系統から前記二次電池へ切り替える第２工程と、を含み、前記ガスタービンシステム及び前記燃料電池システムは、前記外部電力系統の異常が検知されてから所定時間が経過しても前記外部電力系統の異常が解消したことが検知されない場合、それぞれの運転を停止するために負荷減少制御が行われ、前記二次電池は、異常検知前は、前記所定時間の間に供給される電力及び前記負荷減少制御が行われる間に供給される電力を充電できる充電残容量を有するように設定され、前記所定時間経過後は、前記ガスタービンシステムを制御するための電源、前記燃料電池システムを制御するための電源、及び補機を制御するための電源へ電力を供給する。

本発明によれば、外部電力系統に異常が発生し、要求される負荷が急激に変化しても正常な運転制御を可能とする、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係るコンバインド発電システムの概略構成図である。本発明の第１実施形態に係るコンバインド発電システムにおける系統異常発生処理の流れを示したフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る外部電力系統に異常が発生した場合における、ガスタービンシステム及びＳＯＦＣシステムが出力する負荷の変化、二次電池の充電状態を示した図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池の配置位置を示す図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１には、本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１が示されている。コンバインド発電システム１は、ガスタービンシステム３、及び燃料電池である固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という。）を有するＳＯＦＣシステム５を備えている。なお、以下の説明において、ガスタービンシステム３をＭＧＴ（Micro Gas Turbine）とも称呼する。

ガスタービンシステム３は、空気を圧縮する圧縮機７と、圧縮機７によって圧縮された空気によって燃料を燃焼する燃焼器９と、燃焼器９から排出された燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービン１１と、ガスタービン１１の回転力を得て発電する発電機１３とを備えている。
燃焼器９には、燃料ガス排出流路Ｌ２を介して、ＳＯＦＣ本体１５から排出される燃料ガスも導かれる。さらに、燃焼器９には、空気排出流路Ｌ５を介して、ＳＯＦＣ本体１５から排出される空気が導かれる。

圧縮機７及びガスタービン１１の下流側には、再生熱交換器１７が設けられている。この再生熱交換器１７によってガスタービン１１から排出される排ガスから排熱を回収することで、圧縮機７から吐出される圧縮空気が加熱される。
再生熱交換器１７によって加熱された圧縮空気は、空気供給流路Ｌ４を通り、ＳＯＦＣ本体１５の空気極へと導かれる。

ＳＯＦＣシステム５は、圧力容器１４と圧力容器１４の内部に収容されているＳＯＦＣ本体１５とから構成されるＳＯＦＣ１６、ＳＯＦＣ本体１５の燃料極側に接続された燃料系統２０、ＳＯＦＣ本体１５の空気極側に接続された空気系統２１、及び後述するインバータ５３を有する。

ＳＯＦＣ本体１５は、特に限定されるものではないが、例えば複数の円筒形とされたセラミック製の燃料電池セル管（以下、単に「セル管」という。）を備えている。セル管は、基体管の外表面に複数のセルが軸線方向に並べられて形成された構成とされている。セルは、燃料極膜、電解質膜及び空気極膜から構成される。そして、各セル間には、インターコネクタが設けられている。

セルは、水素又は一酸化炭素を含む燃料ガスを燃料極膜（アノード電極）に供給し、かつ酸素を含む酸化剤ガスを空気極膜（カソード電極）に供給することにより、水又は二酸化炭素の合成反応を生じさせることによって電解質膜の両端で起電力を発生するものである。
燃料極膜は、例えば、ニッケル／イットリア安定化ジルコニアで形成されている。電解質膜は、例えば、イットリア安定化ジルコニアで形成されている。空気極膜は、例えば、ランタンマンガネートで形成されている。インターコネクタ膜は、隣り合うセル同士を電気的に接続し、例えば、ランタンクロマイトで形成されている。

燃料系統２０は、燃料電池用燃料ガス源２２からＳＯＦＣ本体１５の燃料極側へメタンを主成分とする都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路Ｌ１と、ＳＯＦＣ本体１５の燃料極側から排出された燃料ガスを燃焼器９へと導く燃料ガス排出流路Ｌ２とを備えている。また、燃料系統２０は、燃料ガス排出流路Ｌ２の中途位置から分岐して、燃料ガス供給流路Ｌ１へと合流する燃料ガス再循環流路Ｌ３を備えている。なお、本第１実施形態では省略しているが、燃料ガス供給流路Ｌ１を流れる燃料と燃料ガス排出流路Ｌ２を流れる燃料とを熱交換させる熱交換器を設けてもよい。

燃料ガス供給流路Ｌ１には、ＳＯＦＣ本体１５へ供給する燃料ガスの流量を調整する供給燃料ガス流量調整弁２６が設けられている。なお、燃料ガスは、図示しない所定の昇圧手段によって、ＳＯＦＣ本体１５の通常運転時に必要とされる圧力以上に昇圧されている。
燃料ガス排出流路Ｌ２には、燃焼器９へ供給する排出燃料ガスの流量を調整する排出燃料ガス流量調整弁３２が設けられている。
燃料ガス再循環流路Ｌ３には、燃料ガス排出流路Ｌ２から分岐した燃料ガスを燃料ガス供給流路Ｌ１へ押し込むための燃料ガス再循環ブロワ３４が設けられている。燃料ガス再循環流路Ｌ３により、未利用の燃料を再循環させることで燃料利用率を向上させると共に、ＳＯＦＣ本体１５の発電反応で得られた水蒸気を燃料系統Ｌ１に投入することで、改質反応に必要な水蒸気を確保することができる。なお、再循環ブロワ３４の位置は、燃料ガス排出流路Ｌ２において、燃料ガス再循環流路Ｌ３の分岐部上流側としてもよい。

空気系統２１は、圧縮機７から圧縮空気をＳＯＦＣ本体１５へと導く空気供給流路Ｌ４と、ＳＯＦＣ本体１５の空気極側から排出された空気を燃焼器９へと導く空気排出流路Ｌ５とを備えている。

空気供給流路Ｌ４には、熱交換器１７からＳＯＦＣ本体１５へ供給する圧縮空気の流量を調整する供給圧縮空気流量調整弁４６が設けられている。
空気排出流路Ｌ５には、ＳＯＦＣ本体１５から燃焼器９へ排出する空気を遮断する遮断弁４８が設けられている。なお、本第１実施形態では省略しているが、空気排出流路Ｌ５を流れる空気と空気供給流路Ｌ４を流れる空気とを熱交換させる熱交換器、及び空気供給流路Ｌ４を流れる空気を昇温するための機器（燃焼器等）を設けてもよい。また、熱交喚器１９は省略されてもよい。さらに、熱交喚起１９とは別にガスタービン１１から排出される排ガスから排熱を回収する別の機器（例えば温水加熱器等）が設けられてもよい。

次に、コンバインド発電システム１の電気的構成について説明する。なお、コンバインド発電システム１は、例えば、工場におけるユーティリティーとして適用される発電設備であって、効率的な運転のためにベースロードとして用いられる発電設備である。

負荷装置である発電機１３は、切替部５０Ａを介して外部電力系統５１及び電力を充放電可能な二次電池５２へ電力を供給（送電）可能とされている。ＳＯＦＣ１６は、負荷装置であるインバータ５３及び切替部５０Ｂを介して外部電力系統５１及び二次電池５２へ電力を供給可能とされている。

切替部５０Ａは、発電機１３の電力の供給先を、外部電力系統５１及び二次電池５２の何れか一方に切り替える。
切替部５０Ｂは、インバータ５３の電力の供給先を、外部電力系統５１及び二次電池５２の何れか一方に切り替える。

二次電池５２は、充電した電力を放電し、外部電力系統５１へ電力を供給可能とされている。また、二次電池５２は、ガスタービンシステム３を制御するための電源であるＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣシステム５を制御するための電源であるＳＯＦＣ制御電源５５、及びコンバインド発電システム１の補機を制御するための補機制御電源５６、その他負荷装置、並びに切替部５０Ａ，５０Ｂ、後述する制御装置５７及び系統異常検知部５８へ電力を供給可能とされている。なお、二次電池５２からＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、補機制御電源５６、及び制御装置５７等への電力の供給はインバータを介して行われる。

コンバインド発電システム１は、制御装置５７及び系統異常検知部５８を備える。

制御装置５７は、コンバインド発電システム１の全体の制御を司り、ガスタービンシステム３、ＳＯＦＣシステム５、及び各種流量弁等を制御する。なお、制御装置５７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種制御に係る機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種制御が実現される。

系統異常検知部５８は、外部電力系統５１の異常（以下、「系統異常」という。）の発生を検知する。系統異常とは、例えば外部電力系統５１が工場等の限られた送電網であったとすると、その外部電力系統５１の送電線の切断や消費電力量の急激な減少等、特に外部電力系統５１がコンバインド発電システム１に要求する負荷が急激に減少した場合である。なお、系統異常の発生の有無は、例えば、所定時間間隔内において減少した負荷の大きさが、予め定められた負荷の大きさを超えた場合とする。
また、系統異常検知部５８は、系統異常の解消の有無も検知する。例えば、外部電力系統５１から要求される負荷が、系統異常が発生する前の大きさとなった場合に、系統異常検知部５８は、系統異常が解消したことを検知する。
系統異常検知部５８は、一例として、系統異常を検知した場合に異常検知信号を制御装置５７へ出力し、系統異常の解消を検知した場合に解消検知信号を制御装置５７へ出力する。

制御装置５７は、系統異常検知部５８が系統異常の発生又は解消の検知に応じて、切替部５０Ａ，５０Ｂに発電機１３及びインバータ５３の電力の供給先を外部電力系統５１及び二次電池５２の何れか一方に切り替えさせる。

次に、本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１の作用を、図２，３を参照して説明する。
図２は、系統異常が発生した場合に制御装置５７で実行される系統異常発生処理の流れを示したフローチャートである。系統異常発生処理は、コンバインド発電システム１の運転が開始されると共に開始する。
図３は、外部電力系統５１に異常が発生した場合における、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５が出力する負荷の変化、二次電池５２の充電状態を示した図である。
なお、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５は、一例として、系統異常は発生するまでは定格出力で運転されているものとする。

系統異常発生処理において、ステップ１００では、系統異常検知部５８からの異常検知信号の入力の有無によって系統異常検知部５８が系統異常を検知したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１０２へ移行し、否定判定の場合は、待ち状態となる。

ステップ１０２では、発電機１３及びインバータ５３の電力の供給先を外部電力系統５１から二次電池５２へ切り替える切替信号を、切替部５０Ａ，５０Ｂに出力する。
切替部５０Ａは、切替信号が入力されると、発電機１３の電力の供給先を外部電力系統５１から二次電池５２へ切り替える。切替部５０Ｂは、切替信号が入力されると、インバータ５３の電力の供給先を外部電力系統５１から二次電池５２へ切り替える。

系統異常が発生した場合、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５に要求される負荷が急激に減少する。このような場合、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５の発電電力の供給先がなくなり、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５のトリップを招くこととなる。また、ＳＯＦＣ１６は、非常に高温（例えば７００℃から１０００℃）で運転されるため、ＳＯＦＣ１６を停止させる場合、徐々に負荷を減少させて温度を低下させる制御を行う必要がある。しかし、急激な負荷の減少が生じると、正常な停止制御を行えない。
そこで、本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１は、系統異常が発生した場合、切替部５０Ａ，５０Ｂによって、ガスタービンシステム３が有する発電機１３、及びＳＯＦＣシステム５が有するインバータ５３の電力の供給先を、外部電力系統５１から二次電池５２へ切り替える。これにより、系統異常が発生した場合であっても、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５の発電電力の供給先が確保されることとなる。

また、系統異常が発生するまでは、ＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、及び補機制御電源５６、並びに切替部５０Ａ，５０Ｂ、制御装置５７、及び系統異常検知部５８等の補機は、外部電力系統５１から電力の供給を受けているが、系統異常に伴い、これらは、二次電池５２から電力が供給されることとなる。従って、系統異常が発生しても、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５の継続した運転制御が可能とされる。

次のステップ１０４では、電力の供給先の切り替え後、予め定められた所定時間（以下、「解消待ち時間」）が経過したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１０６へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１１０へ移行する。なお、解消待ち時間とは、瞬間的な系統異常や解消が簡易な系統異常が発生した場合に、系統異常の解消までに要すると予測される時間であり、例えば３０分である。すなわち、系統異常の発生から解消待ち時間の経過までの間、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５は、定格出力で運転され続ける。

ステップ１０６では、解消待ち時間が経過しても系統異常が解消しないので、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を安全に停止させるために、負荷を減少させる負荷減少制御を行う。
図３に示されるように、本第１実施形態に係る制御装置５７は、一例として、系統異常発生してから解消待ち時間である３０分が経過した後に、１時間かけて徐々にガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５の負荷を下げる。なお、図３に示される減少させる負荷の大きさ、負荷を減少させ続ける時間は一例である。

次のステップ１０８では、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を停止させ、本処理を終了する。

系統異常が発生してから解消待ち時間が経過しても系統異常が解消しない場合、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を運転し続ける必要はないと考えられる。そこで、制御装置５７は、ステップ１０６及びステップ１０８の処理によって、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５による発電電力を二次電池５２へ供給させたままで、負荷を徐々に減少させて停止させる。
このように、系統異常が発生しても、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５の電力の供給先が確保されているので、系統異常が発生せずに外部電力系統５１へ電力を供給している場合と同じように、制御装置５７は、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を停止させるための制御が可能である。従って、系統異常が発生しても、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５は、トリップをすることなく正常に停止できる。

また、ＳＯＦＣ１６は、二次電池５２へ充電を行いながら徐々に負荷が減少されるので、ＳＯＦＣ本体１５の温度も徐々に低下することとなる。このため、従来のように、冷却用の大容量の窒素等の不活性ガスを用いてＳＯＦＣ本体１５の温度を低下させる必要が無い。すなわち、本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１は、ＳＯＦＣシステム５に冷却用のガスの供給機構を備える必要が無いため、ＳＯＦＣシステム５を簡易な構成にすることができる。このため、負荷減少制御を継続する時間は、ＳＯＦＣ本体１５の温度がＳＯＦＣシステム５を停止できる温度にまで低下できる時間以上とすることが好ましい。

なお、負荷減少制御を行っている間に系統異常が解消した場合、制御装置５７は、負荷減少制御を停止し、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を定格出力で運転させるために負荷を増加させてもよい。

一方、ステップ１１０では、解消待ち時間が経過する前に、系統異常検知部５８からの解消検知信号の入力の有無によって系統異常検知部５８が系統異常の解消を検知したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１２へ移行する。一方、否定判定の場合は、ステップ１０４へ戻り、解消待ち時間が経過するまでステップ１０４とステップ１１０とを繰り返す。

ステップ１１２では、発電機１３及びインバータ５３の電力の供給先を二次電池５２から外部電力系統５１へ切り替えさる切替信号を、切替部５０Ａ，５０Ｂに出力し、ステップ１００へ戻る。
切替部５０Ａは、切替信号が入力されると、発電機１３の電力の供給先を二次電池５２から外部電力系統５１へ切り替える。切替部５０Ｂは、切替信号が入力されると、インバータ５３の電力の供給先を二次電池５２から外部電力系統５１へ切り替える。
これにより、コンバインド発電システム１は、系統異常が発生しても系統異常が早期に解消した場合、外部電力系統５１へ電力供給を遅滞なく実施することが可能となる。

また、ＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、及び補機制御電源５６、並びに切替部５０Ａ，５０Ｂ、制御装置５７、及び系統異常検知部５８は、二次電池５２から電力が供給されているが、系統異常の解消に伴い、これらは、外部電力系統５１から電力が供給されることとなる。

ここで、二次電池５２の充電容量について説明する。
二次電池５２は、解消待ち時間の間に発電機１３及びインバータ５３から供給される電力を充電でき、かつ負荷減少制御が行われている間に発電機１３及びインバータ５３から供給される電力を充電できる充電容量を有する。

図３を参照して、系統異常発生処理が行われている間における二次電池５２の充電容量の残り（以下、「充電残容量」という。）について説明する。
本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１では、系統異常が発生するまでは二次電池５２の充電残容量を１００％としておく。すなわち、二次電池５２には充電がされていない。

そして、発電機１３及びインバータ５３からの電力の供給が行われると、充電が開始され、二次電池５２の充電残容量は時間と共に低下していく。なお、このとき二次電池５２に充電される電力量は、発電機１３及びインバータ５３から供給される電力量と、ＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、及び補機制御電源５６、並びに切替部５０Ａ，５０Ｂ、制御装置５７、及び系統異常検知部５８に供給される電力量の差となる。
さらに、二次電池５２は、解消待ち時間である３０分が経過した時点で、その後、負荷減少制御が行われる間に供給される電力（図３の差分Ａに相当する電力）を充電できる充電残容量を有していなければならない。
ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５が停止された後、ＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、補機制御電源５６、及び制御装置５７等への電力の供給が継続される場合は、二次電池５２の充電残容量は増加することとなる。
なお、二次電池５２が十分な充電容量を有する場合は、系統異常が発生する前であっても、充電残容量が１００％ではなく、充電がされている状態であってもよい。

また、系統異常が発生した場合、ＳＯＦＣシステム５から、ＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、補機制御電源５６、及び制御装置５７等へ電力を供給することも考えられる。しかしながら、系統異常が発生するとＳＯＦＣシステム５は、解消待ち時間の経過後、停止のために負荷が下げられるため、これらへ安定した電力の供給ができない可能性がある。このため、より安定した電力を供給可能な二次電池５２が、ＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、補機制御電源５６、及び制御装置５７等へ供給することが好ましい。

以上説明したように、本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１は、圧縮された空気によって燃料を燃焼する燃焼器９、燃焼器９から排出された燃焼ガスによって回転駆動するガスタービン１１、及びガスタービン１１の回転力を得て発電して外部電力系統５１に供給する発電機１３を有するガスタービンシステム３と、燃料ガス及び空気が供給されて発電するＳＯＦＣ本体１５、及びＳＯＦＣ本体１５で発電した電力を外部電力系統５１に供給するインバータ５３を有するＳＯＦＣシステム５を備える。さらに、コンバインド発電システム１１は、電力を充放電可能とされ、外部電力系統５１、発電機１３、及びインバータ５３に接続された二次電池５２と、外部電力系統の異常を検知する系統異常検知部５８と、系統異常検知部５８が外部電力系統５１の異常を検知した場合に、発電機１３及びインバータ５３の電力の供給先を、外部電力系統５１から二次電池５２へ切り替える切替部５０Ａ，５０Ｂとを備える。
従って、本第１実施形態に係るコンバインド発電システム１は、系統異常が発生し、要求される負荷が急激に変化しても正常な運転制御が可能である。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。

図４は、本第２実施形態に係る二次電池５２の配置位置を示す図である。なお、図４における図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付して、その説明を省略する。
本第２実施形態に係る二次電池５２’は、ＳＯＦＣ１６の圧力容器１４の内部に収容され、ＳＯＦＣ１６の運転温度よりも低い温度で運転する二次電池である。例えば、二次電池５２’は、運転温度が４００℃程度のナトリウム硫黄電池とされる。
本第２実施形態に係るコンバインド発電システム１は、二次電池５２がＳＯＦＣ１６の圧力容器１４の内部に収容されるので、システムの構成をより小型化できる。また、ＳＯＦＣ１６で発生する熱の一部を、二次電池５２’を作動させるに必要な温度を維持するための熱源とすることで、熱の有効利用ができる。

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、系統異常が発生した場合、二次電池５２がＭＧＴ制御電源５４、ＳＯＦＣ制御電源５５、補機制御電源５６、及び制御装置５７等へ電力を供給する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、これらは無停電電源（ＵＰＳ）から電力が供給される形態としてもよい。また、系統異常が発生した場合、二次電池５２は、コンバインド発電システム１が備えている装置以外の他の負荷装置（例えば電力により水素を生成する水素発生装置等）へ電力を供給してもよい。

また、上記各実施形態では、系統異常が発生した場合、解消待ち時間が経過した後に、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を停止させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、系統異常が発生した場合、解消待ち時間の経過を待つことなく、ガスタービンシステム３及びＳＯＦＣシステム５を停止させる形態としてもよい。

また、上記各実施形態で説明した系統異常発生処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

１コンバインド発電システム
３ガスタービンシステム
５ＳＯＦＣシステム
９燃焼器
１１ガスタービン
１３発電機
１６ＳＯＦＣ
５０Ａ切替部
５０Ｂ切替部
５１外部電力系統
５２二次電池
５３インバータ
５４ＭＧＴ制御電源
５５ＳＯＦＣ制御電源
５６補機制御電源
５８系統異常検知部

Claims

燃焼器、ガスタービン、及び前記ガスタービンによる電力を外部電力系統に供給する第１負荷装置を有するガスタービンシステムと、
燃料電池、及び該燃料電池で発電する電力を前記外部電力系統に供給する第２負荷装置を有する燃料電池システムと、
前記外部電力系統、前記第１負荷装置、及び前記第２負荷装置に接続された二次電池と、
前記外部電力系統の異常を検知する異常検知手段と、
前記異常検知手段が前記外部電力系統の異常を検知した場合に、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先を前記外部電力系統から前記二次電池へ切り替える切替手段と、
を備え、
前記ガスタービンシステム及び前記燃料電池システムは、前記外部電力系統の異常が検知されてから所定時間が経過しても前記外部電力系統の異常が解消したことが検知されない場合、それぞれの運転を停止するために負荷減少制御が行われ、
前記二次電池は、異常検知前は、前記所定時間の間に供給される電力及び前記負荷減少制御が行われる間に供給される電力を充電できる充電残容量を有するように設定され、前記所定時間経過後は、前記ガスタービンシステムを制御するための電源、前記燃料電池システムを制御するための電源、及び補機を制御するための電源へ電力を供給することを特徴とするコンバインド発電システム。
前記切替手段は、前記所定時間の間に前記外部電力系統の異常が解消したことが検知された場合、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先を、前記二次電池から前記外部電力系統へ切り替えることを特徴とする請求項１記載のコンバインド発電システム。
前記二次電池は、前記燃料電池の内部に収容されて前記燃料電池で発生する熱によって作動する請求項１又は請求項２記載のコンバインド発電システム。
燃焼器、ガスタービン、及び該ガスタービンによる電力を外部電力系統に供給する第１負荷装置を有するガスタービンシステムと、燃料電池、及び該燃料電池で発電する電力を前記外部電力系統に供給する第２負荷装置を有する燃料電池システムと、前記外部電力系統、前記第１負荷装置、及び前記第２負荷装置に接続された二次電池と、前記外部電力系統の異常を検知する異常検知手段と、を備えるコンバインド発電システムの運転方法であって、
前記異常検知手段によって前記外部電力系統に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、
前記外部電力系統に異常が発生したと判定した場合に、前記第１負荷装置及び前記第２負荷装置の電力の供給先を、前記外部電力系統から前記二次電池へ切り替える第２工程と、
を含み、
前記ガスタービンシステム及び前記燃料電池システムは、前記外部電力系統の異常が検知されてから所定時間が経過しても前記外部電力系統の異常が解消したことが検知されない場合、それぞれの運転を停止するために負荷減少制御が行われ、
前記二次電池は、異常検知前は、前記所定時間の間に供給される電力及び前記負荷減少制御が行われる間に供給される電力を充電できる充電残容量を有するように設定され、前記所定時間経過後は、前記ガスタービンシステムを制御するための電源、前記燃料電池システムを制御するための電源、及び補機を制御するための電源へ電力を供給することを特徴とするコンバインド発電システムの運転方法。