JPH0937471A - コンバインドサイクル発電機の発電制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンバインドサイクル発電機を中間負荷で運
転する際に、燃料費が最小となる負荷分担での運転を可
能とする発電制御方法および装置を提供することを目的
とする。 【構成】 運転台数組み合わせ選定手段１２は、設備制
約データ群１９、対象需要１６及び各発電機の現在出力
１７に基づき、発電機の運転台数組み合わせ選択肢１８
を求める。発電機出力決定手段２２は、運転台数組み合
わせ選択肢１８、各発電機の燃料費特性２３、対象需要
１６及び各発電機の現在出力１７に基づき、燃料費最小
となる出力指令値２４を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料費を節約しながら負
荷追従運転を行わせることのできる、コンバインドサイ
クル発電機の発電制御方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来技術】コンバインドサイクル発電とは、蒸気ター
ビンとガスタービンとを組み合わせた発電機である。通
常は、１台の蒸気タービンと複数台のガスタービンとか
ら構成されている。

【０００３】このコンバインドサイクル発電は、火力発
電より熱効率が高いという特長がある。この特徴を最大
限に活かすため、従来はフル出力運転を原則としてい
た。しかし、実際には、電力需要に応じて出力調整を行
わざるをえない。そのため、通常は、ガスタービンの運
転台数を変更することで発電量の調整を行っている。つ
まり、全体として発電量を大きくしたい場合にはガスタ
ービン運転台数を多くし、逆の場合にはガスタービン運
転台数を少なくしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガスタービ
ンの発電効率は、その最大出力付近で最も高くなる。そ
のため、コンバインドサイクル発電機全体としての発電
効率は、運転中のガスタービンを最大出力付近で稼働さ
せる場合に高くなる。逆に、運転中のガスタービンを最
低出力付近で運転すると、その発電効率は低くなる。従
って、コンバインドサイクルの発電量を徐々に増加さ
せ、必要に応じてガスタービンを順次立ち上げていく場
合には、発電効率は、新たにガスタービンを立ち上げる
直前で高くなる。そして、立ち上げ直後に低くなる。す
なわち、コンバインドサイクル発電の発電量と発電効率
との関係を、横軸に発電量を、縦軸に発電効率をとって
グラフ化して表した場合、その形状はのこぎり刃状にな
る。こののこぎり刃状の発電効率特性は発電機によって
異なっている。

【０００５】このようにコンバインドサイクル発電機で
あっても実際には中間負荷での運転が要求され、且つ、
その発電効率は運転状況によって大きく異なっている。
それにもかかわらず、これまでコンバインドサイクル発
電機を中間負荷で運転する場合に、燃料費を最小とする
ための明確な負荷分担決定方法は十分に検討されていな
かった。

【０００６】更に別の問題として、ガスタービンは、そ
の発電効率および最大出力が大気圧変動の影響を受けて
大きく変動するという問題があった。このような問題
は、燃料費を最小とするような制御を困難なものとして
いた。

【０００７】本発明は、コンバインドサイクル発電機に
ついて、中間負荷での運転時にもできるだけ燃料費を節
約した運転を行うことのできるの発電制御方法及び発電
制御装置を提供することを目的とする。

【０００８】本発明は、大気圧変動による影響を排除
し、より正確な制御を可能としたコンバインドサイクル
発電機の発電制御方法及び装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、コンバイン
ドサイクル発電機の燃料費を最小とする問題を、２つの
問題の複合したものであるととらえている。１番目の問
題は、各コンバインドサイクル発電機のガスタービン運
転可能台数を特定する離散的最適化問題である。２番目
の問題は、コンバインドサイクル発電機にどれだけずつ
負荷を分担させるかを決定する連続的最適化問題であ
る。従って、本発明では、まず上記離散的最適化問題の
解を求め、その範囲内で上記連続的最適化問題の解を求
める。そして、こうして求めた解を各発電機への出力指
令値とする。

【００１０】例えば、７台のガスタービンからなるコン
バインドサイクル発電機２０台を運用する場合を想定す
る。この場合、各コンバインドサイクル発電機のガスタ
ービン運転台数について７通りのパターンがあるので、
離散的最適化問題の探索空間は７の２０乗という莫大な
数になる。本発明では、需給バランス制約や出力変化速
度制約を用い、全探索空間から運用可能な部分空間を特
定する。

【００１１】次に、連続的最適化問題の解を求めるため
に、上記部分空間の中で最経済となる負荷分担を求め
る。部分空間が複数に分かれている場合には、各部分空
間の最経済の負荷分担を求め、その中で更に最経済とな
る負荷分担を選択し、これを連続的最適化問題の解とす
る。部分空間の中で最経済の負荷分担を求める方法とし
ては、通常の火力発電機の負荷配分に適用される手法す
なわち関根泰次：「電力系統工学」（電気書院）pp. 10
3-112 記載の等増分燃料費の法則を適用する方法があ
る。あるいは、燃料費の安い発電機から順に出力指令値
を最大限に大きくする優先順位法を適用する方法も考え
られる。本発明では、これらの手法のいずれかを適用し
て連続最適化問題の解を得る。

【００１２】ガスタービンは、大気温度によって最大出
力が大きく異なる。したがって、本発明では、各発電所
の大気温度を制御装置への入力情報とすることによっ
て、より正確に燃料費を最小化する。本発明の構成をよ
り具体的に述べれば以下の通りである。

【００１３】本発明の第１の態様としては、ガスタービ
ンを含んで構成された複数台のコンバインドサイクル発
電機の出力を制御する発電制御装置において、上記コン
バインドサイクル発電機毎の上記ガスタービンの運転台
数の組み合わせのうち、別途入力される需要に応えるこ
との可能な組み合わせを選定する組み合わせ選定手段
と、上記需要に応える発電を行った場合、上記組み合わ
せ選定手段によって選定された組み合わせのうち、燃料
費が最小となる、組み合わせ及び各コンバインドサイク
ル発電機の出力値を求め、該出力値を各コンバインドサ
イクル発電機に出力する負荷分担決定手段と、を有する
ことを特徴とする発電制御装置が提供される。

【００１４】上記負荷分担決定手段は、等増分燃料費の
法則に基づいて、燃料費が最小となる、組み合わせ及び
各コンバインドサイクル発電機の出力値を求めるもので
あることが好ましい。

【００１５】上記負荷分担決定手段の出力する出力値を
大気温度に応じて変更させる更新手段を有することが好
ましい。

【００１６】本発明の第２の態様としては、ガスタービ
ンを含んで構成されたコンバインドサイクル発電機複数
台の出力を制御する発電制御方法において、上記コンバ
インドサイクル発電機毎の上記ガスタービンの運転台数
の組み合わせのうち、別途入力される需要に応えること
の可能な組み合わせを選定し、上記需要に応える発電を
行った場合、上記選定された組み合わせのうち、燃料費
が最小となる、組み合わせ及び各コンバインドサイクル
発電機の出力値を求め、該求めた出力値の出力が得られ
るように各コンバインドサイクル発電機を作動させるこ
と、を特徴とする発電制御方法が提供される。

【００１７】

【作用】本発明では、まず離散的最適化問題の解を求め
ることにより運用可能範囲を求める。続いて、求めた運
用可能範囲内で上記連続的最適化問題の解を求め、こう
して求めた解を出力指令値とする。これにより、複数の
コンバインドサイクル発電機を運用する際、燃料費を節
約することが可能となる。これを、上述した第１、第２
の態様の構成要件に沿って述べれば以下の通りとなる。

【００１８】組み合わせ選定手段は、コンバインドサイ
クル発電機毎のガスタービンの運転台数の組み合わせの
うち、別途入力される需要に応えることの可能な組み合
わせを選定する。

【００１９】負荷分担決定手段は、この選定された組み
合わせのうち、燃料費が最小となる、組み合わせ及び各
コンバインドサイクル発電機の出力値（負荷分担）を求
める。このような出力値（負荷分担）を求めることは、
例えば、等増分燃料費の法則に基づいて容易に可能であ
る。そして、負荷分担決定手段は、このようにして求め
た出力値を各コンバインドサイクル発電機に出力する。

【００２０】更新手段を備えている場合、該更新手段
は、大気温度に応じて上記出力値を変更させることで、
より正確に燃料費が最小となるように制御することがで
きる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００２２】本発明の発電制御装置は、図１に示すとお
り、離散的最適化機構１と、連続的最適化機構２と、を
備えて構成されている。

【００２３】離散的最適化機構１は、上述の離散的最適
化問題を解くためのものであり、本実施例では、発電機
設備制約データベース１１と、運転可能な運転台数の組
み合わせを選定する運転台数組み合わせ選定手段１２
と、最大出力更新手段１５とを備える。

【００２４】発電機設備制約データベース１１は、発電
機設備の性能に起因した様々な制約条件（以下、“設備
制約データ”という）を格納している。設備制約データ
としては、各発電機の最大出力、最低出力、出力変化速
度及びバンド毎運転台数等がある。なお、これら設備制
約データを総称して“設備制約データ群１９“と呼ぶこ
とがある。

【００２５】運転台数組み合わせ選定手段１２は、各コ
ンバインドサイクル発電機において作動させるガスター
ビンの運転台数の組み合わせを選定するものである。運
転台数組み合わせ選定手段１２は、設備制約データ群１
９と、対象需要１６と、各発電機の現在出力１７とに基
づいて該選定を行う。ここで必要となる対象需要１６お
よび各発電機の現在出力１７は、別途、測定（あるいは
予測）されたものが入力されるものである。運転台数組
み合わせ選定手段１２により選定される運転台数組み合
わせは、通常、複数種類存在する。以下、各運転台数の
組み合わせを、“運転台数組み合わせ選択肢１８”と呼
ぶ。

【００２６】データベース１４は、大気温度と最大出力
との関係を示すデータを格納したものである。

【００２７】最大出力更新手段１５は、発電機設備制約
データベース１１に格納されている各コンバインドサイ
クル発電機の最大出力値を、大気温度に応じて更新する
ものである。最大出力更新手段１５は、該更新の際に
は、大気温度計測値１３を基にデータベース１４を参照
することで、新たな最大出力値を得ている。

【００２８】連続的最適化機構２は、燃料費特性データ
ベース２１と、発電機出力決定手段２２と、燃料費特性
更新手段２５とを備えている。

【００２９】燃料費特性データベース２１は、各発電機
について、予め用意された燃料費特性２３を格納したも
のである。

【００３０】発電機出力決定手段２２は、燃料費合計が
最小となるように各発電機の出力を決定するものであ
る。本実施例の発電機出力決定手段２２は、運転台数組
み合わせ選択肢１８と、各発電機の燃料費特性２３と、
対象需要１６と、各発電機の現在出力１７と、設備制約
データ１９とに基づき、各発電機の出力指令値２４を決
定している。

【００３１】すでに述べたとおり、一般に、運転台数組
み合わせ選択肢１８は、複数存在する。従って、発電機
出力決定手段２２は、各運転台数組み合わせ選択肢１８
について、コンバインド発電機間での出力配分（負荷分
担）を、燃料費を最小にするとの観点に立って求める。
そして、そのうち最も燃料費が小さくなる出力配分を各
発電機に伝える出力指令値２４として採用する。

【００３２】燃料費特性更新手段２５は、発電機設備制
約データベース１１に格納される最大出力に基づいて、
燃料費特性データベース２１を更新するものである。こ
れにより、精度の高い出力指令値２４が得られる。

【００３３】連続的最適化機構２で決定された出力指令
値２４は各発電所に送出され、各発電所はそれに応じて
電力系統に供給する発電電力（実出力３）を調整し、必
要ならばガスタービンの起動停止も行う。

【００３４】実際のシステムにおける離散的最適化機構
１および連続的最適化機構２は、プロセッサ、所定のプ
ログラムおよびデータを格納されたメモリと、該プログ
ラムを実行するプロセッサ等によって構成される。

【００３５】特許請求の範囲において言う“選定手段”
とは、本実施例における離散的最適化機構１に相当する
ものである。“負荷分担決定手段”とは、連続的最適化
機構２に相当するものである。“更新手段”とは、デー
タベース１４、最大出力更新手段１５、燃料費特性更新
手段２５、発電機設備制約データベース１１、燃料費特
性データベース２１発電機出力決定手段２２に相当する
ものである。

【００３６】動作を説明する。

【００３７】離散的最適化機構１の運転台数組み合わせ
選定手段１２は、設備制約データ群１９と、対象需要１
６と、各発電機の現在出力１７とに基づいて、各コンバ
インドサイクル発電機において作動させるガスタービン
の運転台数の組み合わせ選択肢１８を選定する。繰り返
し述べているとおり、この運転台数の組み合わせ選択肢
１８は、通常複数存在する。なお、該離散的最適化機構
１による運転台数組み合わせの選定方法については、後
ほど図２、図３、表１を用いて詳細に説明する。

【００３８】ところで、最大出力更新手段１５は、大気
温度計測値１３を基に、データベース１４を参照するこ
とで、逐次、新たな最大出力値を得ている。そして、そ
の度ごとに、発電機設備制約データベース１１に格納さ
れている各コンバインドサイクル発電機の最大出力値
を、該新たな値に更新している。

【００３９】発電機出力決定手段２２は、運転台数組み
合わせ選択肢１８と、燃料費特性データベース２１に格
納されている燃料費特性２３と、対象需要１６と、各発
電機の現在出力１７とに基づき、選択肢１８の各々で規
定されている組み合わせについて燃料費合計が最小とな
るように各発電機の出力指令値２４を決定する。そし
て、そのうち最も燃料費が小さかった出力指令値を、各
発電機に実際に出力する出力指令２４として採用する。
発電機出力決定手段２２は、このようにして決定した出
力指令値２４を各発電機に送出する。なお、該連続的最
適化機構２による発電機出力の決定方法については、後
ほど図４乃至図６を用いてさらに詳細に説明する。

【００４０】ここで使用される燃料費特性データベース
２１の内容は、発電機設備制約データベース１１に格納
されている最大出力値に基づき、燃料費特性更新手段２
５によって適宜、更新されている。

【００４１】各発電機は、それに応じて電力系統に供給
する発電電力（実出力３）を調整する。

【００４２】次に、離散的最適化機構１の動作原理につ
いて説明する。

【００４３】先ず、運転台数組み合わせ選定手段１２を
説明する。

【００４４】説明を簡単にするため、発電機はＡ、Ｂの
２台とし、発電機Ａは５台のガスタービンを備え、発電
機Ｂは４台のガスタービンを備えるものと仮定する。こ
れらの発電機の特性を表１にまとめる。この表１の内容
が、上述の設備制約データであり、発電機設備制約デー
タベース１１に格納されている。なお、ここでは、各発
電機について最低出力、最大出力等の８項目について格
納している。

【００４５】

【表１】

【００４６】ここで、対象需要16として入力された３０
分先の需要が450ＭＷ、発電機Ａ、Ｂの現在出力１７が
それぞれ150MW、200MWであるとする。

【００４７】図２において、発電機Ａの指令値を横軸に
とり、発電機Ｂの指令値を縦軸にとる。直線４１は、指
令値の合計が450MWとなる点、すなわち需給バランスが
満たされる点の集合である。該グラフ上、中央付近にお
いて太い実線で囲まれた矩形領域（発電機Ａ：１００〜
２６５ＭＷ、発電機Ｂ：１５０〜２８０ＭＷ）は、発電
機Ａ、Ｂが３０分以内で到達できる領域（以下“到達可
能領域”という）である。この到達可能領域は、発電機
Ａ、Ｂのガスタービン運転台数によって、更に９つの小
領域に分割して考えることができる。ある小領域と他の
小領域との間の境界線は、表１に記載されているガスタ
ービンの運転台数毎の出力範囲に相当する。これら小領
域のうち、領域４２、４３、４４には直線４１が通過し
ていることから、この領域４２、４３、４４が、需給バ
ランス制約を満足させることがわかる。

【００４８】よって図１における運転台数組み合わせ選
択肢１８として選択されるのは、領域４２（発電機Ａ：
２台、発電機Ｂ：３台）、領域４３（発電機Ａ：３台、
発電機Ｂ：２台）、領域４４（発電機Ａ：３台、発電機
Ｂ：１台）であることがわかる。このようにして運転台
数組み合わせ選択肢１８を決定する。

【００４９】次に、最大出力更新手段１５の詳細を説明
する。

【００５０】データベース１４には、大気温度と、各ガ
スタービンの最大出力との関係（図３参照）を示す情報
が格納されている。図３からもわかるとおり、コンバイ
ンドサイクル発電機の最大出力は大気温度が上昇するに
つれて単調に低下する。

【００５１】最大出力更新手段１５は、データベース１
４を参照することで、その時の大気温度（大気温度実測
値１３）での各ガスタービンの最大出力値を得る。そし
て、この新たに得られた最大出力値に基づいて、発電機
設備制約データベース１１の内容を更新する。当然なが
ら、この各ガスタービンの最大出力値の更新に伴って、
ガスタービンの運転台数毎に規定されている出力範囲等
（表１参照）も、最大出力に比例して更新する。

【００５２】次に、連続的最適化機構２の動作原理につ
いて説明する。

【００５３】図１の燃料費特性データベース２１には、
図４及び図５に示す発電機Ａ、Ｂ各々の増分燃料費が格
納されている。参考のため、図４及び図５には、効率と
燃料費のグラフも示した。

【００５４】発電機出力決定手段２２は、燃料費が最小
となる負荷配分を、領域４２、４３、４４の各々につい
て（すなわち、運転台数組み合わせ選択肢１８の各々に
ついて）決定する。本実施例の発電機出力決定手段２２
は、この負荷配分を等増分燃料費の法則を適用して求め
ている。この負荷配分算出の過程を図６を用いて説明す
る。なお、等増分燃料費の法則については、例えば、関
根泰次：「電力系統工学」（電気書院）pp. 103-112 に
記載されている。

【００５５】等増分燃料費の法則によれば、図６中に示
したλ（ラグランジュの未定係数）の値が小さいほど燃
料費が安くなる。領域４２、４３及び４４のうち、燃料
費が最も安くなるのは、領域４３である。そして、その
負荷配分は、該図６の例では、発電機Ａが215MW、発電
機Ｂが235MWである。連続的最適化機構２は、このよう
にして得た負荷配分（ここでは、発電機Ａ：215MW、発
電機Ｂ：235MW）を出力指令値２４として各発電機に与
える。

【００５６】なお、燃料費特性データベース２１の内容
は、燃料費特性更新手段２５によって適宜更新される。
該更新は、発電機設備制約データベース１１に格納され
ている各ガスタービンの最大出力値の更新に対応して行
なう。最大出力値が大きくなれば、その分だけ燃料費特
性は向上する（燃料費が安くなる）。逆に、最大出力値
が小さくなれば、その分だけ燃料費特性は悪化（燃料費
が高くなる）。従って、このような燃料費特性の変化に
起因して、各発電機への出力指令値２４も変更されるこ
とになる。

【００５７】以上説明した実施例によれば、コンバイン
ドサイクル発電機を中間負荷で運転する場合でも燃料費
を抑えるような運転を行うことができる。さらに、各ガ
スタービンの最大出力値のデータを、大気温度に応じて
修正しているため、より正確な運転制御が可能である。

【００５８】なお、離散的最適化機構１による運転台数
組み合わせ選択肢１８の求め方、連続的最適化機構１に
よる出力指令値の求め方は、上述した方法には限定され
ない。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によればコ
ンバインドサイクル発電機の燃料費を最小にすることが
できる。また、より正確な制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンバインドサイクル発電制御装置全
体図である。

【図２】離散的最適化機構1による、可能領域探索過程
を示す図である。

【図３】コンバインドサイクル発電機における、大気温
度と最大出力との関係を示す図である。

【図４】発電機Ａの出力と、効率・燃料費・増分燃料費
との関係を示す図である。

【図５】発電機Ｂの出力と、効率・燃料費・増分燃料費
との関係を示す図である。

【図６】連続的最適化機構２による、等増分燃料費の法
則を利用した燃料費最小解探索過程を示す図である。

【符号の説明】

１…離散的最適化機構 ２…連続的最適化機構 ３…実出力 １１…発電機設備制約データベース １２…運転台数組み合わせ選定手段 １３…各発電機の大気温度計測値 １４…データベース １５…最大出力更新手段 １６…対象需要 １７…各発電機の現在出力 １８…運転台数組み合わせ選択肢 １９…設備制約データ群 ２１…燃料費特性データベース ２２…発電機出力決定手段 ２３…各発電機の燃料費特性 ２４…出力指令値 ２５…燃料費特性更新手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンを含んで構成された複数台の
   コンバインドサイクル発電機の出力を制御する発電制御
   装置において、 上記コンバインドサイクル発電機毎の上記ガスタービン
   の運転台数の組み合わせのうち、別途入力される需要に
   応えることの可能な組み合わせを選定する組み合わせ選
   定手段と、 上記需要に応える発電を行った場合、上記組み合わせ選
   定手段によって選定された組み合わせのうち燃料費が最
   小となる、組み合わせ及び各コンバインドサイクル発電
   機の出力値を求め、該出力値を各コンバインドサイクル
   発電機に出力する負荷分担決定手段と、 を有することを特徴とする発電制御装置。
2. 【請求項２】上記負荷分担決定手段は、等増分燃料費の
   法則に基づいて、燃料費が最小となる、組み合わせ及び
   各コンバインドサイクル発電機の出力値を求めるもので
   あること、 を特徴とする請求項１記載の発電制御装置。
3. 【請求項３】上記負荷分担決定手段の出力する出力値を
   大気温度に応じて変更させる更新手段を有すること、 を特徴とする請求項２記載の発電制御装置。
4. 【請求項４】ガスタービンを含んで構成されたコンバイ
   ンドサイクル発電機複数台の出力を制御する発電制御方
   法において、 上記コンバインドサイクル発電機毎の上記ガスタービン
   の運転台数の組み合わせのうち、別途入力される需要に
   応えることの可能な組み合わせを選定し、 上記需要に応える発電を行った場合、上記選定された組
   み合わせのうち、燃料費が最小となる、組み合わせ及び
   各コンバインドサイクル発電機の出力値を求め、該求め
   た出力値の出力が得られるように各コンバインドサイク
   ル発電機を作動させること、 を特徴とする発電制御方法。