JP7353823B2 - ガスタービン発電システムの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンを原動機とする発電システム（以下、「ガスタービン発電システム」という。）を制御する方法および装置に関する。

発電設備として、原動機であるガスタービンエンジンと、これによって駆動される同期型発電機とを組み合わせたガスタービン発電システムが広く使用されている（例えば、特許文献１，２参照）。従来、ガスタービン発電システムでは、力率が一定になるように無効電力出力が制御されている。

特開２０１４－１３８４６２号公報 特表２０１７－５０６３０２号公報

しかし、通常、ガスタービンエンジンの有効電力出力は、例えば吸気温度の変化といった要因の影響によって数十％程度変動し得る。その場合、このガスタービンエンジンと組み合わせる発電機の定格出力は、ガスタービンエンジンの最大の有効電力出力に合わせることになるので、ガスタービンエンジンが最大出力より低い出力領域で作動する期間は、発電機の性能（皮相電力出力能力）を十分に活用できない。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービンエンジンに出力変動が生じる場合にも、発電機の発電能力を十分に活用することができるガスタービン発電システムの制御方法および制御装置を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービン発電システムの制御方法は、ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンによって駆動される同期型の発電機とを備えるガスタービン発電システムを制御する方法であって、
前記発電機から出力される無効電力を、前記発電機の定格皮相電力に対する前記ガスタービンエンジンの有効電力出力の現在値の比率Ｒ＝Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀が所定値Ｒs＜Ｒ≦１である範囲において、下記の式（１）
Ｑ_Ａ＝Ｓ₁₀₀×{１－(Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀)²}^1/2 （１）
（ただし、Ｐ_ｎは前記ガスタービンエンジンから出力された有効電力出力の現在値［kW］，Ｓ₁₀₀は前記発電機の定格皮相電力［kVA］）
で得られる値Ｑ_Ａに設定することを含む。

また、本発明に係るガスタービン発電システムの制御装置は、
ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンによって駆動される同期型の発電機とを備えるガスタービン発電システムを制御する装置であって、
前記ガスタービンエンジンの有効電力出力を検出する有効電力検出部と、
前記発電機から出力される無効電力を、前記発電機の定格皮相電力に対する前記ガスタービンエンジンの有効電力出力の現在値の比率Ｒ＝Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀が所定値Ｒs＜Ｒ≦１である範囲において、下記の式（１）

Ｑ_Ａ＝Ｓ₁₀₀×{１－(Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀)²}^1/2 （１）

（ただし、Ｐ_ｎは前記ガスタービンエンジンから出力された有効電力出力の現在値［kW］，S₁₀₀は前記発電機の定格皮相電力［kVA］）
で得られる値Ｑ_Ａに設定する無効電力制御部を備える。

この構成によれば、ガスタービンエンジンの通常の作動領域である有効電力出力が最大値（定格値）に近い領域において、発電機の出力を皮相電力が一定となるように制御する。これにより、ガスタービンエンジンの有効電力出力が最大値から低下した場合、その低下分を発電機の無効電力として出力することができるので、発電機の性能を十分に活用することができる。さらに、この制御方法は、従来の遅れ力率を一定にする制御ではないので、発電機の力率が１である場合の発電機の最大皮相電力出力（定格皮相電力出力）を、ガスタービンの有効電力出力の最大値と同じ値とすることができる。すなわち、当該ガスタービン発電システムの定格出力に対して、採用する発電機の定格出力、体格を従来に比べて小さいものとすることができる。

以上のように、本発明に係るガスタービン発電システムの制御方法および制御装置によれば、ガスタービンエンジンに出力変動が生じる場合にも、発電機の発電能力を十分に活用することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る制御方法および制御装置が適用されるガスタービン発電システムの概略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制御方法の原理を従来技術と比較して示す発電機出力可能曲線図である。 本発明の一実施形態に係る制御方法の効果を説明するグラフである。 本発明の一実施形態に係る制御装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る制御方法および制御装置が適用されるガスタービン発電システムＳを示す。このガスタービン発電システムＳは、ガスタービンエンジンを原動機として発電機を駆動することによって発電するシステムであり、ガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」という。）ＧＴと、ガスタービンＧＴによって駆動される同期型の発電機（以下、単に「発電機」という。）１と、発電機１を制御する制御装置３とを備えている。本実施形態における発電機１は、例えば三相交流発電機である。

ガスタービンＧＴは、外部から導入された作動ガス（この例では空気）を圧縮機５で圧縮して圧縮空気として燃焼器７に導き、燃料を燃焼器７内に噴射して圧縮空気とともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスによりタービン９を駆動する。タービン９の回転によって、ロータ１１に連結された発電機１が駆動される。このようにして発電機１で生成された電力が負荷Ｌに供給される。ガスタービン発電システムＳは、例えば設備の非常用電源として使用される発電システムであり、系統電源と連系することなく、当該システムＳ単独で負荷Ｌに給電する。

以下、本実施形態に係る制御装置３による制御方法について詳細に説明する。

図２に示すように、制御装置３は、発電機１の定格皮相電力に対するガスタービンＧＴの有効電力出力の現在値の比率Ｒ＝Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀（以下、この比率を「ガスタービン出力比率」と呼ぶ。）が所定値Ｒ_Ｓ（以下、この所定値を「制御境界値」と呼ぶ。）を超える領域と、制御境界値Ｒ_Ｓ以下の領域とで、異なる規則によって、無効電力制御を行う。具体的には、ガスタービン出力比率Ｒが制御境界値Ｒ_Ｓより大かつ１以下の領域（以下、「第１領域」と呼ぶ。）Ａ１では、皮相電力が一定となるように発電機１を制御して無効電力の値を設定する。すなわち、制御装置３は、第１領域Ａ１において、発電機１から出力される無効電力を、下記式（１）：
Ｑ_Ａ＝Ｓ₁₀₀×{１－(Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀)²}^1/2 （１）
（ただし、Ｐ_ｎは前記ガスタービンエンジンから出力された有効電力出力の現在値［kW］，Ｓ₁₀₀は前記発電機１の定格皮相電力［kVA］）
で得られる値Ｑ_Ａに設定する。

本実施形態では、制御境界値Ｒ_Ｓを予め０．８５に設定している。なお、制御境界値Ｒ_Ｓの設定値は特に限定されないが、他の設備から無効電力が供給される場合においては、裕度を考慮して０．９５以下とすることが好ましい。さらに、制御境界値Ｒ_Ｓの設定値は、当該ガスタービン発電システムＳによって給電される負荷Ｌの力率に一致させることが好ましい。この観点から、制御境界値Ｒ_Ｓは、負荷Ｌの力率として一般的に採用されている０．８以上０．９以下の範囲で設定することがより好ましい。

従来は、一般的に、図２において一点鎖線Ｌ_０で示すように、ガスタービンの有効電力出力の全範囲において、発電機出力について遅れ力率による力率一定制御を行っていた。典型的には、発電機から系統電源へ電力供給する場合には、その発電機の定格力率を遅れ力率とすることが要求される。その場合、発電機の定格皮相電力（定格出力点Ｓ_ｒ０）が、ガスタービンの定格出力を上記定格力率で除した値となる発電機を選択することになる。したがって、ガスタービンの有効電力出力が何らかの要因（例えば、後述するように吸気温度の変化）によって低下したときは、発電機を出力可能曲線（二点鎖線で示す線Ｌ_Ｘ）よりも内側で作動させることになり、発電機の発電能力（定格皮相電力）を十分に活用できない。また、発電機に要求される定格出力は、ガスタービンの定格出力に対してマージンを有する値にせざるを得ず、これに応じて発電機の体格も大きなものとならざるを得ない。例えば、定格力率を、上述の制御境界値Ｒ_Ｓとした０．８５とする力率一定制御の場合、発電機の定格出力は、ガスタービンの定格出力に対して約１８％上回ることになる。

これに対して、本実施形態では、第１領域Ａ１においては、力率が１であり、かつ発電機１の定格皮相電力がガスタービンＧＴの定格出力に一致するように発電機１の定格出力点Ｓ_ｒ１を設定したうえで、力率を一定とするのではなく、発電機１の皮相電力を一定とする制御を行う。すなわち、発電機１の出力点Ｓ_１が、発電機１の出力可能曲線Ｌ_１上を動くように無効電力Ｑ_Ａの値を設定する。本実施形態に係るガスタービン発電システムＳのように、系統電源に電力供給を行わない場合には、系統電源の力率の制約を受けないので、このような制御が可能になる。発電機１をこのように制御することにより、発電機１が有する発電能力（定格皮相電力）を十分に活用して、ガスタービンＧＴの有効電力出力が低下した場合には、その分を無効電力として出力することが可能になる。

本実施形態では、同図に示すように、制御装置３は、ガスタービン出力比率Ｒが制御境界値Ｒ_Ｓ以下である領域（以下、「第２領域」と呼ぶ。）Ａ２において、無効電力一定線Ｌ_２に沿った無効電力一定制御によって得られる値（出力点Ｓ_２に対応する値）と、力率一定線Ｌ_３に沿った力率一定制御によって得られる値（出力点Ｓ_３に対応する値）とからの低位選択によって無効電力の値を設定する。すなわち、制御装置３は、第２領域Ａ２において、発電機１から出力される無効電力を、下記の式（２）および式（３）
Ｑ_B1＝Ｑ_max （２）
（ただし、Ｑ_maxは式（１）において前記ガスタービン出力比率Ｒ＝Ｒsの場合の無効電力の値）
Ｑ_B2＝（１－COS²θ_p）^1/2×Ｐ_ｎ／COSθ_p （３）
（ただし、COSθ_pは前記発電機１における力率の所定値）
で得られる２つの値Ｑ_B1，Ｑ_B2のうち小さい方の値に設定する。

通常想定される作動領域である第１領域Ａ１において上記の皮相電力一定制御を行いながら、第２領域Ａ２においてこのような制御を行うことにより、ガスタービンＧＴの有効電力出力が何らかの要因により大幅に低下した場合には、制御方式を皮相電力一定制御から切り替えて、必要な力率を確保することができる。

なお、本実施形態においては、後に詳述するように、有効電力出力の現在値（以下、「有効電力現在値」という。）として、発電機１の出力から直接検出した値を用いているが、有効電力現在値Ｐ_ｎとして、ガスタービンＧＴが吸入する作動ガス（この例では空気）の温度に基づいて検出した値を用いてもよい。

一般的に、年間を通じてガスタービンＧＴの吸気温度が変化することにより、ガスタービンＧＴが出力する有効電力値が変動する。具体的には、吸気温度が上昇するにしたがって、ガスタービンＧＴの有効電力出力値が低下する。このような吸気温度の変動による有効電力値の変動幅は、３０％程度に至る場合もある。通常、ガスタービンＧＴの運転においては、吸気温度の変動に応じた有効電力の指令値を予め設定し、この指令値に基づいたフィードバック制御を行っている。そこで、この吸気温度変動に対応した有効電力指令値を、上記の有効電力現在値Ｐ_ｎとして用いてもよい。このように制御することにより、無効電力の皮相電力一定制御のプロセスを簡易化しながら、吸気温度の変動によって有効電力値が低下した分を無効電力として出力することが可能になる。

具体的には、例えば、事前の試験によって吸気温度に対応するガスタービン出力値を測定しておき、吸気温度とガスタービン出力との相関マップまたは相関式を作成して、測定した吸気温度に対応する有効電力現在値Ｐ_ｎを使用する。

なお、ガスタービンＧＴの有効電力出力を低下させる要因が吸気温度以外にない場合には、有効電力現在値として発電機１の出力から直接検出した値と、吸気温度に対応する設定指令値とはほぼ一致するから、制御結果もほぼ同一となる。吸気温度変動以外の他の要因の影響により有効電力出力が変動することが予め想定される場合には、当該他の要因に基づく変動も考慮に入れた相関マップ等を用意してもよい。

図３に、実施例として、上述した本実施形態に係る方法によって吸気温度に基づいて発電機１を制御した場合のガスタービン発電システムＳからの出力特性を示す。同図には、比較例として、従来の全範囲に渡って力率一定制御を行った場合の出力特性も示している。同図において、縦軸は、ガスタービンＧＴの有効電力出力（ｋＷ）の最大値（吸気温度が０℃のときの定格出力）を１００としたときの、ガスタービン出力（ｋＷ）、実施例、比較例に係る各発電機１の皮相電力出力（ｋＶＡ）の割合を示す。また、同図の横軸は吸気温度を示す。なお、ガスタービン出力は当該ガスタービン発電システムＳからの出力（有効電力出力）となる。

上述のように、比較例においては、０℃～４０℃の全範囲に渡って発電機１を力率一定制御している。他方、実施例においては、０℃～約２０℃までの範囲（上述の第１領域Ａ１）において発電機１の皮相電力一定制御がなされ、約２０℃～４０℃までの範囲（上述の第２領域Ａ２）において無効電力一定制御と力率一定制御との低位選択による制御（この例では、第２領域Ａ２全体に渡って低位選択による力率一定制御）がなされている。

同図からわかるように、比較例においては、発電機１の最大皮相電力出力（定格皮相電力出力）が、ガスタービンＧＴの有効電力出力の最大値に対して約１１％大きいのに対して、実施例においては、発電機１の最大皮相電力出力（定格皮相電力出力）を、ガスタービンＧＴの有効電力出力の最大値と同じ値とすることができる。換言すれば、本実施形態に係る制御方法を採用することにより、ガスタービン発電システムＳから同等の有効電力出力を得るために、採用する発電機１の定格出力を約１１％下げることができる。また、同図から明らかなように、吸気温度０℃～約２０℃までの範囲においては、比較例に比べて実施例の方が、発電機１の皮相電力出力に対するガスタービンＧＴ出力の比率が大きいため、ガスタービン発電システムＳを高効率で運転することができる。

次に、上記で説明した制御方法を実行するための制御装置３の構成例について説明する。

図４に示すように、制御装置３は、有効電力検出部２１と、無効電力制御部２３とを備えている。有効電力検出部２１は、ガスタービンＧＴの有効電力出力の現在値を検出する。無効電力制御部２３は、有効電力検出部２１によって検出した有効電力出力値に基づいて、発電機１から出力される無効電力の値を決定する。本実施形態において、制御装置３は、そのほかに、無効電力検出部２５、電圧検出部２７、電流検出部２９、電圧設定部３１、電圧調整部３３、および励磁部３５を備えている。

電圧検出部２７は、発電機１の出力電圧を検出する。電圧検出部２７は、この例では計器用変圧器として構成されている。電流検出部２９は、発電機１の出力電流を検出する。電流検出部２９は、この例では、計器用変流器として構成されている。

無効電力検出部２５は、電圧検出部２７および電流検出部２９に接続されて、電圧検出部２７から入力された発電機１の出力電圧値および電流検出部２９から入力された発電機１の出力電流値から、無効電力の出力値を検出する。有効電力検出部２１は、電圧検出部２７および電流検出部２９に接続されて、電圧検出部２７から入力された発電機１の出力電圧値および電流検出部２９から入力された発電機１の出力電流値から、有効電力の出力値を検出する。

無効電力制御部２３は、制御パラメータ格納部４１と、演算部４３と、無効電力指示部４５とを備えている。

制御パラメータ格納部４１は、制御装置３による上述した制御方法を実行するために必要な定数パラメータである、発電機１の定格皮相電力値Ｓ₁₀₀、最大無効電力値Ｑ_max、制御境界値Ｒ_Ｓ、第２領域Ａ２において力率一定制御をする場合の力率の所定値COSθ_p等を格納し、必要に応じて演算部４３に出力する。上述した吸気温度に基づくよる制御を行う場合には、吸気温度と有効電力出力の相関マップも制御パラメータ格納部４１に格納しておく。

演算部４３は、有効電力検出部２１から入力された有効電力の現在値と、制御パラメータ格納部４１に格納された制御パラメータとから、上記式（１）～（３）のいずれかを用いて無効電力の目標値Ｑ_Ａ，Ｑ_B1，Ｑ_B2を算出するとともに、この無効電力目標値と無効電力検出部２５から入力された無効電力の現在値との偏差を算出する。無効電力指示部４５は、演算部４３で算出された無効電力の偏差に基づく制御指令値を電圧設定部３１に送る。

電圧設定部３１は、無効電力指示部４５からの指令に基づいて発電機１の出力電圧を設定する。電圧調整部３３は、電圧設定部３１によって設定された発電機１の出力電圧に基づいて、発電機１の出力電圧を調整する。励磁部３５は、電圧調整部３３からの指令に従って発電機１を励磁する。

以上説明した本実施形態に係るガスタービン発電システムＳの制御方法および制御装置３によれば、ガスタービンＧＴの有効電力出力が最大値に近い領域において、発電機１の出力を皮相電力が一定となるように制御することにより、ガスタービンエンジンの有効電力出力が最大値から低下した場合、その低下分を発電機１の無効電力として出力することができるので、発電機１の性能を十分に活用することができる。

さらに、この制御方法は、従来の遅れ力率を一定にする制御ではないので、発電機１の力率が１である場合の発電機１の最大皮相電力出力（定格皮相電力出力）を、ガスタービンＧＴの有効電力出力の最大値と同じ値とすることができる。すなわち、当該ガスタービン発電システムＳの定格出力に対して、採用する発電機１の定格出力、体格を従来に比べて小さいものとすることができるので、当該制御方法および制御装置３が適用されるガスタービン発電システムＳの高効率化および小型化を図ることができる。

また、上述したように、本発明の一実施形態において、前記有効電力出力の現在値Ｐ_ｎを、前記ガスタービンＧＴが吸入する作動ガスの温度に基づいて検出してもよい。ガスタービンＧＴの定格運転時の出力は、吸入する作動ガスの温度によって数十％変動する場合があり、通常、ガスタービンＧＴの出力は、予め設定した作動ガス温度の変動に対応する有効電力指令値に基づいて制御されている。そこで、この指令値を有効電力出力の現在値として用いることにより、無効電力の皮相電力一定制御のプロセスを簡易化しながら、作動ガス温度の変動によって有効電力値が低下した分を無効電力として出力することが可能になる。

本発明の一実施形態において、前記発電機１から出力される無効電力を、前記比率Ｒが０≦Ｒ≦Ｒsの範囲において、下記の式（２）および式（３）
Ｑ_B1＝Ｑ_max （２）
（ただし、Ｑ_maxは式（１）において前記比率Ｒ＝Ｒsの場合の無効電力の値）
Ｑ_B2＝（１－COS²θ_p）^1/2×Ｐ_ｎ／COSθ_p （３）
（ただし、COSθ_pは前記発電機１における力率の所定値）
で得られる２つの値Ｑ_B1，Ｑ_B2のうち小さい方の値に設定してもよい。この構成によれば、ガスタービンＧＴの有効電力出力が何らかの要因により大幅に低下した場合には、制御方式を皮相電力一定制御から無効電力一定制御または力率一定制御に切り替えて、必要な力率を確保することができる。

本発明の一実施形態において、前記比率Ｒの所定値Ｒsを予め０．８以上０．９５以下の範囲で設定してもよい。この構成によれば、皮相電力一定制御を行う領域の下限を一般的な負荷の力率に合わせることによって、確実に必要な力率を確保することができる。

本発明に係るガスタービン発電システムＳは、ガスタービンＧＴと、前記ガスタービンＧＴによって駆動される同期型の発電機１と、前記発電機１を制御する前記制御装置３とを備えている。この構成によれば、上述の効果を有する制御方法、制御装置を採用することにより、ガスタービン発電システムＳの高効率化、小型化を図ることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 発電機
３ 制御装置
２１ 有効電力検出部
２３ 無効電力制御部
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｓ ガスタービン発電システム

Claims (5)

1. ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンによって駆動される同期型の発電機とを備えるガスタービン発電システムを制御する方法であって、
   前記発電機から出力される無効電力を、前記発電機の定格皮相電力に対する前記発電機の有効電力出力の現在値の比率Ｒ＝Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀が所定値Ｒs＜Ｒ≦１である範囲において、下記の式（１）
   Ｑ_Ａ＝Ｓ₁₀₀×{１－(Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀)²}^1/2 （１）
   （ただし、Ｐ_ｎは前記ガスタービンエンジンから出力された有効電力出力の現在値［kW］，Ｓ₁₀₀は前記発電機の定格皮相電力［kVA］）
   で得られる値Ｑ_Ａに設定することと、
   前記発電機から出力される無効電力を、前記比率Ｒが０＜Ｒ≦Ｒsの範囲において、下記の式（２）および式（３）
   Ｑ _B1 ＝Ｑ _max （２）
   （ただし、Ｑ _max は式（１）において前記比率Ｒ＝Ｒsの場合の無効電力の値）
   Ｑ _B2 ＝（１－COS ² θ _p ） ^1/2 ×Ｐ _ｎ ／COSθ _p （３）
   （ただし、COSθ _p は前記発電機における力率の所定値）
   で得られる２つの値Ｑ _B1 ，Ｑ _B2 のうち小さい方の値に設定することとを含み、
   前記比率Ｒの所定値Ｒsを予め０．８以上０．９５以下の範囲に設定する、
   ガスタービン発電システムの制御方法。
2. 請求項１に記載の制御方法において、
   前記有効電力出力の現在値Ｐ_ｎを、前記ガスタービンエンジンが吸入する作動ガスの温度に基づいて検出することを含む制御方法。
3. ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンによって駆動される同期型の発電機とを備えるガスタービン発電システムを制御する装置であって、
   前記発電機の有効電力出力を検出する有効電力検出部と、
   前記発電機から出力される無効電力を、前記発電機の定格皮相電力に対する前記発電機の有効電力出力の現在値の比率Ｒ＝Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀が所定値Ｒs＜Ｒ≦１である範囲において、下記の式（１）
   Ｑ_Ａ＝Ｓ₁₀₀×{１－(Ｐ_ｎ／Ｓ₁₀₀)²}^1/2 （１）
   （ただし、Ｐ_ｎは前記ガスタービンエンジンから出力された有効電力出力の現在値［kW］，Ｓ₁₀₀は前記発電機の定格皮相電力［kVA］）
   で得られる値Ｑ_Ａに設定する無効電力制御部を備え、
   前記無効電力制御部は、
   前記発電機から出力される無効電力を、前記比率Ｒが０＜Ｒ≦Ｒsの範囲において、下記の式（２）および式（３）
   Ｑ _B1 ＝Ｑ _max （２）
   （ただし、Ｑ _max は式（１）において前記比率Ｒ＝Ｒsの場合の無効電力の値）
   Ｑ _B2 ＝（１－COS ² θ _p ） ^1/2 ×Ｐ _ｎ ／COSθ _p （３）
   （ただし、COSθ _p は前記発電機における力率の所定値）
   で得られる２つの値Ｑ _B1 ，Ｑ _B2 のうち小さい方の値に設定し、
   前記比率Ｒの所定値Ｒsが予め０．８以上０．９５以下の範囲で設定されている、
   ガスタービン発電システムの制御装置。
4. 請求項３に記載の制御装置において、
   前記有効電力検出部が、前記現在値Ｐ_ｎを、前記ガスタービンエンジンが吸入する作動ガスの温度に基づいて検出するように構成されている
   制御装置。
5. ガスタービンエンジンと、
   前記ガスタービンエンジンによって駆動される同期型の発電機と、
   前記発電機を制御する、請求項３または４に記載の制御装置と、
   を備えるガスタービン発電システム。

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