JPWO2015181938A1 - ガスタービン複合発電装置 - Google Patents

Abstract

ガスタービン（２Ａ）と、タービン（１）の駆動力で発電する発電機（３）と、ガスタービン（２Ａ）の出力を制御する第一の制御装置（２０Ａ）と、ガスタービン（２Ａ）から外部系統（１００）に供給される電力の周波数を変換する周波数変換器（６）と、ガスタービン（２Ａ）のトルクを制御する第二の制御装置（２０Ｂ）と、ガスタービン以外の電力供給装置（７）と、電力供給装置（７）から外部系統（１００）に供給する電力を制御する第三の制御装置（２０Ｃ）と、第一の制御装置（２０Ａ）、第二の制御装置（２０Ｂ）、第三の制御装置（２０Ｃ）に出力指令を分配する第四の制御装置（２０）を有したガスタービン複合発電装置。

Description

本発明は、ガスタービン発電機と蓄電装置とを併用して変動電力に高速に追従するガスタービン複合発電装置に関するものである。

風力発電、太陽光発電などの再生可能エネルギーが普及していくと、それらの発電出力の変動により、電力系統全体が不安定になることが懸念されている。これに対し、従来の火力発電機の出力を変化させて、負荷を平準化することが必要になる。火力発電機の中で、ガスタービン発電は石炭火力発電よりも起動時間が短く、負荷変化率も大きく取れるため、再生可能エネルギーの出力変動を平準化できると期待されている。

発電機等を駆動するガスタービンに関する技術として、例えば、特許文献１には、燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと燃焼器に圧縮空気を送る圧縮機とを接続する回転軸と、高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと発電機等の負荷とを接続する回転軸の２つの回転軸を有する２軸式ガスタービンが開示されている。

通常、ガスタービン発電機の出力変化は分単位であり、太陽光発電等の秒単位の負荷変化には追従できない。そこで、ガスタービン発電機に蓄電装置を併用する装置や制御が提案されている。

特許文献２では、分散型電源と高性能二次電池を組み合わせたマイクログリッドが提案されている。

また、特許文献３では、太陽光発電とガスタービン発電機を合わせた分散電源において、パワー型バッテリとエネルギー型バッテリの２種類のバッテリを用いる方法が提案されている。

特開２０１０−６５６３６号 特開２００７−１５９２２５号 特開２００４−６４８１４号

電力を平準化するために発電機、あるいは蓄電装置を高速に出力変化させる必要がある。あるいは、それらの複数の平準化手段を同時に使う場合には、協調制御が必要である。特許文献１に示すようなガスタービン発電機は、火力発電機の中で比べると出力を早く変化させることが可能だが、それでも１分間で変化させられるのは定格出力の１０％程度であり、秒単位で出力を変化させることはできない。このため、さらに短周期の変化を平準化するためには、例えば鉛やリチウムなどの二次電池が必要となり、特許文献２のようなシステムも提案されている。しかし、二次電池はコストが高いこと、エネルギー密度が低いために設置面積も広く必要なことが課題である。また、二次電池は電力用のように数十年も使う用途としては寿命が短い課題もある。さらに、二次電池は種類によって、充放電電力や蓄積電力量（電力の時間積分、すなわちエネルギー）も特性が異なる。たとえば、一般的な産業用の鉛電池では放電電力は、充電電力の半分程度なので、放電電力に合わせると充電電力で必要な電池の２倍の容量が必要になる。また、高出力タイプのリチウムイオン電池は電力用のように多くのエネルギーを蓄える用途としては高価である。

これに対しては、特許文献３に挙げられているような、パワー型（瞬時の高出力に優れる）、エネルギー型（すなわち長時間出力に優れる）の２種類のバッテリを組み合わせる方法が挙げられている。しかし、パワー型の高価なリチウムイオン電池を使うとコストを劇的に減らすことはできない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷平準化のための好適なガスタービン複合発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のガスタービン複合発電装置は、ガスタービンと、タービンの駆動力で発電する発電機と、ガスタービンの出力を制御する第一の制御装置と、ガスタービンから外部系統に供給される電力の周波数を変換する周波数変換器と、ガスタービンのトルクを制御する第二の制御装置と、ガスタービン以外の電力供給装置と、電力供給装置から外部系統に供給する電力を制御する第三の制御装置と、第一の制御装置、第二の制御装置、第三の制御装置に出力指令を分配する第四の制御装置を有する。

本発明によれば、負荷平準化のための好適なガスタービン複合発電装置を提供できる。

本発明によるガスタービン発電複合装置の構成図の例である。 本発明による複合装置のそれぞれに与える指令の例である。 モータ制御のブロック図である。 本発明の動作を示した図である。 本発明の第２の実施例である。 本発明の第３の実施例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係るガスタービン複合発電システムの全体構成を概略的に示す図である。図１において、本実施の形態の二軸式ガスタービン発電システムは、二軸式ガスタービン２Ｂと、二軸式ガスタービン２Ｂにより駆動される同期発電機３と、二軸式ガスタービン２Ｂに繋がれた電動機９と、電動機９の電力の周波数を変換する周波数変換器６と、同期発電機３と周波数変換器６と電気的に並列に接続された二次電池７を概略備えている。

同期発電機３は、電力伝達経路３１から、電圧を変換する変圧器８１Ａと、電力の伝達を遮断可能にするために設けられた遮断器６１Ａを介して、系統１００に繋がれている。電動機９は、電力伝達経路３３、周波数変換器６、電力伝達経路３４、変圧器８１Ｂと、遮断器６１Ｂを介して、電力伝達経路３５から、電力伝達経路３１に接続されている。電力伝達経路３４と並列に電力伝達経路３６があり、その経路には、二次電池７が電力変換器５と、変圧器８１Ｃと遮断器６１Ｃが接続されている。

二軸式ガスタービン２Ｂは、取り込んだ空気（外気）を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機１１と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器１０と、燃焼器１０で得られた燃焼ガスにより駆動される高圧タービン１Ｈと、圧縮機１１と高圧タービン１Ｈとを繋ぐ第一回転軸４Ｈと、高圧タービン１Ｈを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧タービン１Ｌと、低圧タービン１Ｌに繋がれた第二回転軸４Ｌとを備えている。

二軸式ガスタービン２Ｂの制御は、ガスタービン制御装置２０Ａが行う。ガスタービン制御装置２０Ａは、圧縮機１１の空気取り込み口に設けられた流量調整弁である入口案内翼１２（IGV：Inlet Guide Vane）の開閉角度と、燃焼器１０の噴射燃料とを制御することにより、第一回転軸４Ｈの回転速度と、第二回転軸４Ｌの出力の調整を行う。主に出力を燃料量で制御し、高圧タービン１１の回転速度を入口案内翼１２で制御する。ガスタービン制御装置２０Ａは、ガスタービンの燃焼温度、第一回転軸４Ｈや第二回転軸４Ｌの回転速度を受け取り、制御に用いる。高圧タービン１１は、その翼が燃焼器１０から発生した高温ガスを受けるため、もっとも温度が高くなる部位である。ガスタービンの効率は温度が高くなるほど良いが、この部分の温度制約で効率の上限が決まる。したがって、通常は限界温度になるように制御されている。

同期発電機３は、二軸式ガスタービン２Ｂの低圧タービン１Ｌの出力軸である第２回転軸４Ｌと、ギアを介さずに機械的に接続されている。ただし、同期発電機３の回転速度は外部系統１００の周波数と同期しているため、常に一定であり、低圧タービン１Ｌの回転数も一定である。同期発電機は回転速度が一定なので、電力出力を増減させるにはトルクを変化させるが、そのトルクは低圧タービン１Ｌから得ている。したがって、ガスタービンの制御装置２０Ａが同期発電機の出力を決めている。

従来のガスタービンでは、第一回転軸の回転速度は、高圧タービン１Ｈの回転力と、圧縮機１１を駆動するための動力のバランスで決まる。前者の高圧タービン１Ｈの回転力は燃料投入量でほぼ決まる。一方、後者の圧縮機を駆動するための動力は、圧縮機が圧縮する空気流量で決まるが、入口案内翼１２の制御をすることで、圧縮機１１の空気流量を調節できる。これにより、高圧タービン１Ｈと低圧タービン１Ｌに伝わる動力バランスを変えることができる。この動力比は一般的なガスタービンでほぼ１：１である。

本実施例では、電動機９を第１回転軸４Ｈに繋いだことにより、第一回転軸の制御パラメータを増やすことができる。第１回転軸４Ｈと電動機９とは、ギアを介さずに機械的に接続されている。第一回転軸の圧縮機を駆動する主たる動力は高圧タービン１Ｈから得ることができるので、電動機９は、高圧タービン１Ｈと低圧タービン１Ｌの動力バランスを調節するだけでよい。動力バランスの調節は、たとえば環境温度が高い場合に行う。従来のガスタービンでは吸気温度が高くなると圧縮機に入る空気の密度が低いため、空燃比を一定にするため燃料量を下げなければならないが、本実施例に依れば、電動機９で圧縮機動力をアシストすることで、空気の質量を増やし、燃料投入を増やすことができる。空気の密度は、温度が０℃から５０℃に変化すると約１５％変わる。１５％の空気量を調整するためには、圧縮機の動力を１５％調整できれば良い。したがって、電動機９がアシストする必要な動力はガスタービン出力の１５％程度になる。設計温度を２５℃とすれば、容量は半分で良い。したがって、たとえば、電動機９の容量は１／１０程度のものを用いる。

この電動機９は交流電動機であり、交流の周波数によって可変速駆動される。モータ制御装置２０Ｂが周波数変換器６に与える周波数を可変にする。その回転速度は、速度センサ８でモータ制御装置２０Ｂにフィードバックされる。

周波数変換器６は、電動機側のインバータ６Ａと、系統側のインバータ６Ｂからなり、その間は直流でつながれている。インバータ６Ａの交流周波数を変えることで、電動機９の速度を変えることができる。一方、インバータ６Ｂの交流は常に系統１００の交流と同期させる。モータ制御装置２０Ｂで、トルク制御をかけると、電動機９の回転速度が変わり、その速度変化分の回転慣性エネルギーが周波数変換器６から入出されることになる。トルク制御については後述する。

二次電池７は、直流電流でエネルギーを入出するが、その直流を電力変換器５で交流に変換する。この交流は、系統１００と同期している。電池制御装置２０Ｃは、電力変換器５を制御し、交流の周波数と位相を同期発電機３の周波数と位相に合わせ、電池のエネルギーを入出力する。また、二次電池７の充電率も監視する。二次電池７はガスタービンでは応答できない急激な入出力指令に対応し、ガスタービン発電との複合システムとして負荷変化に追従する。

これらの構成のガスタービンシステムの動作方法を、図２を用いて次に示す。プラント制御装置２０は、このガスタービンシステムの全体の電力指令を、ガスタービン制御装置２０Ａと、モータ制御装置２０Ｂ、電池制御装置２０Ｃの３つに分配して送る。たとえば、図２（ａ）に示すようなガスタービンシステム全体の発電指令があると、時間的にもっとも遅い変化に対しては、図２（ｂ）の指令をガスタービン制御装置２０Ａに与え、モータ制御装置２０Ｂには、最も早い出力変化分である図２（ｃ）の電力指令を与え、電池制御装置２０Ｃには、中間の速度変化に相当する図２（ｄ）の電力指令を与える。それぞれの時間周期は、おおよそ、ガスタービン制御は数十秒以上、モータ制御は数秒以下、電池制御は数秒から数十秒のオーダーである。

ガスタービンの制御については、ガスタービン内部の作動ガス量が膨大であり、そのバッファがあるため、急速な出力変化指令には対応できない。例えば一般的なガスタービンの負荷変化速度は一分間に定格出力の１０％程度である。このため、ガスタービン制御装置２０Ａには変化速度が緩やかな指令を与える。

モータ制御については、電動機９を可変速運転させることで、第一回転軸４Ｈが持っている回転慣性エネルギーを取り出すことができる。図３にモータ制御装置２０Ｂ内のモータ制御系のブロック図を示す。図１の電流センサ４１で計測した電流Ｉを電流制御器ＡＣＲでフィードバック制御する。電流は磁束とトルクに線形に変換できるので、これがトルク制御となる。トルク制御の応答は電気的な時定数できまるが、一般にミリ秒のオーダーであり、通常のガスタービンの出力変化に比べて無視できるほど十分に速い。電流ループ系の外側に、電動機の回転センサ８で計測した速度を、速度制御器ＡＣＲでフィードバック制御する。

図４にガスタービン２Ｂの挙動を示す。図４（ａ）に示すように第二軸の低圧タービン４Ｌの出力と回転速度、すなわち、同期発電機３の出力と回転速度は一定である。一方、補助発電機が図４（ｂ）のようなステップ状に変化する出力を出すためには、補助発電機に図４（ｂ）とほぼ同じ形のトルク指令を出せばよい。出力は「トルク×回転速度」なので、回転センサ８からフィードバックした回転速度から、出力指令を逐次トルクに換算することができる。上述したようにトルク応答は無視できるほど早いので、出力も瞬時に入出可能である。この出力のエネルギー源は第一軸の回転慣性エネルギーである。したがって、図４（ｃ）に示すように補助発電機から出力すると第一軸の回転速度が下がり、入力すると、回転速度が上がる。入出力させなければ補助回転機の速度は徐々に戻っていく。

このとき、回転速度制御は電動機９で行っているため、ガスタービン制御装置２０Ａは、回転速度制御のために入口案内翼１２の開閉指令は変えることはせず、一定値のまま固定しておく。このことにより、モータ制御が安定する。

モータ制御装置２０Ｂで取り出せる慣性エネルギーは、圧縮機１１と高圧タービン１Ｈの合計の慣性モーメントに比例し、回転速度の２乗に比例する。圧縮機の回転速度は、通常５、０００から４０、０００ｒｐｍと高速なので、慣性エネルギーを数ｋＷｈ持っている。一方、圧縮機１１にはサージなどの問題から運転速度範囲の制限があり、定格速度から１〜２割程度しか下げられない場合もある。補助発電機から出力を取り出せる時間は、圧縮機の回転速度が許容範囲内で変わる間であり、エネルギー量と出力から換算すると、およそ数秒のオーダーである。

前述のようにガスタービンの出力応答が遅いことと、圧縮機の回転速度が変化している時間が数秒であることを考えると、補助発電機が働いている間はガスタービンの出力は一定とみなすことができる。

一方、電動機９でエネルギーを放出したことにより圧縮機の回転速度が低下すると、空気流量が下がるため、同じ燃料を投入すると燃焼温度が高くなる。このとき燃焼温度の上昇により高圧タービン１Ｈの損傷を招く恐れがあるため、電動機９で急速な制御をする場合には、燃料投入量を抑え、燃焼温度を低めに運転をする必要がある。このようにガスタービンの慣性力制御と燃焼温度制御とを協調させることにより、より効率の良い運転ができる。

慣性エネルギーを利用した蓄電機能はフライホイールと同様の原理であるが、本実施例はガスタービンの慣性を利用しており、あらたにフライホイールのような機器を追加する必要がないため、追加装置の定常的な損失を無視することができる。

つぎに、ガスタービン制御では追従できず、かつ、補助発電機の慣性エネルギーでは足りない、数十秒程度の周期の出力変化に対して、そのエネルギーを二次電池で補償する。この場合、上記のモータ制御で急激な大出力を補償しているので、二次電池７が負担すべき出力指令は緩やかになる。このため、二次電池の容量や電力変換器５の容量を小さくすることができる。例えば二次電池９が鉛電池の場合、瞬時に大出力を出すことができないため、多くの電池が必要である。しかし、本実施例によれば、瞬時の出力は第一回転軸４Ｈの慣性エネルギーを使ってモータ制御で補うので、その分、二次電池に要求される出力が減る。これにより電池の搭載量と電力変換器５の容量を小さくすることができる。

必要な二次電池の搭載量は、出力とエネルギーの両方から決まる。電力用に用いるには大きなエネルギーを蓄える必要があるが、エネルギーあたりで最も低コストな鉛電池やＮＡＳ電池は瞬時に大出力を出すことは苦手なので、短周期の変動吸収には向いていない。このような電池を短時間の変動吸収に用いるには、並列数を多くする必要があり、必要なエネルギー以上の電池が必要となる。一方、リチウム電池やニッケル水素電池は、瞬時の大出力には向くが、高コストである。本実施例のように、数秒単位の大出力は電池ではなく、補助発電機から得るのが経済的である。また、図２（ｂ）のように数十秒以上の出力変化に対してはガスタービンの出力で補っても良い。このように本実施例では、ガスタービンの出力制御、ガスタービンの慣性力制御、電力供給装置である二次電池からの電力制御の３通りの制御を組み合わせているため、二次電池の必要量を減らすことが可能である。出力指令の変化率に応じてこの３通りの制御の分配を好適に決定すれば、二次電池に要求される最大電力を抑えることができ、また、蓄積エネルギーも少なくできる。この結果、変動吸収のための二次電池の容量を削減できる。

また、二次電池７の充電率が高い時には、二次電池は放電能力には余裕があり、吸収能力には余裕が無い。そこで、ガスタービンの第一軸４Ｈに蓄えるエネルギーを少なくし、こちら側に吸収できる電力を増やす。具体的には、回転速度を低めに制御しておく。逆に、二次電池７の充電率が低い場合には、第一軸の回転速度を高めに制御しておく。このような協調制御もプラント制御装置２０が行う。

さらに本実施例の効果として、二次電池７の長寿命化が可能である。二次電池は、急激な充放電により損傷し寿命が短くなるが、上述のようにモータ制御と併用することで、二次電池の急速な充放電を緩和することができる。

また、本実施例の効果として、補助発電機とそれを駆動する周波数変換器の容量が、同期発電機の１／２以下で良いので、追加する機器のコストが少ないメリットがある。電力用等の大容量の周波数変換器は、体積も大きくコストも回転電機よりも高価であるのが一般的である。例えば特許文献３に示されたようなシステムでは、ガスタービン発電機の電力は一旦直流に変換されているので、周波数変換器もガスタービンと同じ容量が必要であるが、本実施例によれば、主たる電力を供給する発電機３は系統周波数で駆動される交流発電機なので周波数変換器は不要である。出力変動に対応する容量の小さな補助電動機９を駆動する周波数変換器で済むため、周波数変換器も小容量化により低コストにでき、かつ、その電気的な損失も抑えることができる。

本実施例の効果として、電動機９と第一回転軸４Ｈとをギアを介せずに接続した構成にすることにより、電動機９が充電から発電に切り替わった際に働く逆方向のトルクに対して、減速機の歯の面当たり方向が変わることによる騒音や衝撃による摩耗、劣化を防ぐことができ、装置の信頼性が増す。

また、本実施例の二軸ガスタービンは、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ対応のために低圧タービン１Ｌの構造を変更するだけで済み、第二回転軸の速度を同期発電機３と第二回転軸４Ｌとをギアを介せずに接続した構成にすることができるので、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ対応の減速機を省略し、損失とコストを低減することが可能である。 以上説明した実施例１は、ガスタービン２Ｂと、第二回転軸４Ｌに接続され低圧タービン１Ｌの駆動力で発電する発電機である同期発電機３と、ガスタービン２Ｂの出力を制御する第一の制御装置であるＧＴ制御装置２０Ａと、第一回転軸４Ｈに接続され、第一回転軸４Ｈと第二回転軸４Ｌとの間で動力バランスを調整する電動機９と、発電機と外部系統１００を結ぶ電力伝達経路３１、３２と、電力伝達経路３１、３２と電動機９との間で、外部系統１００に供給する電力の周波数を変換する第一の周波数変換器６と、電動機９を制御することによりガスタービン２Ｂのトルクを制御する第二の制御装置であるモータ制御装置２０Ｂと、電力伝達経路３１、３２に並列な経路上に設けられた二次電池７と、二次電池７から外部系統１００に供給される電力の周波数を変換する第二の周波数変換器である電力変換器５と、二次電池７から外部系統１００に供給される電力を制御する第三の制御装置である電池制御装置２０Ｃと、ＧＴ制御装置２０Ａ、モータ制御装置２０Ｂ、電池制御装置２０Ｃに出力指令を分配する第四の制御装置であるプラント制御装置２０を有するガスタービン複合発電装置である。

このガスタービン複合発電装置で、ＧＴ制御装置２０Ａが入口案内翼１２を制御することでガスタービン２Ｂの出力を制御し、モータ制御装置２０Ｂが第一の周波数変換器６を介して電動機９の回転数を制御することでガスタービン２Ｂのトルクを制御し、電池制御装置２０Ｃが第二の周波数変換器である電力変換器５を介して二次電池７からの電力を制御することで、ガスタービン複合発電装置において、二次電池に要求される最大電力を抑えることができ、また、蓄積エネルギーも少なくできる。この結果、変動吸収のための二次電池の容量を削減できる。

図５は、本発明の別の実施例であるガスタービン複合発電装置の全体構成を概略的に示す図である。図１と同様の装置の説明は省略する。

ガスタービン２Ａは、第一の実施例と異なり一軸のガスタービンであり、燃焼器１０から放出される燃焼ガスをタービン１で受け、その動力で同期電動機３に出力を与える。同期発電機３の軸とタービン１の軸４は一致している。同期電動機３は、第一の実施例とは異なり、周波数変換器６を介して系統に電力を供給する。同期電動機３は回転速度が変わっても良く、その交流電力は周波数変換器６Ａで常に直流に変換される。その直流電力を周波数変換器６Ｂのインバータで系統の周波数と位相が同期するように変換する。

ガスタービン２Ａの定常状態では、ガスタービン２Ａの出力と同期発電機３の出力とは、同期発電機３の損失を無視すれば同じである。同期発電機３の出力は「トルク×回転速度」であるから、ガスタービンの出力を同じにしても、同期電動機３のトルクと回転速度の割合を変えることはできる。しかし、速度が変化した分、過渡的には同期電動機３が繋がれている回転軸４の慣性エネルギーは変化したことになる。したがって同期電動機３を可変速に制御しているその時間内はエネルギーを入出できる。この効果は第一の実施例と同じである。つまり、モータ制御装置２０Ｂにより、同期電動機３のトルクを制御し、回転速度を変えることで、慣性エネルギーを入出できる。このとき、回転速度は速度センサ８で取込み、モータ制御装置２０Ｂにフィードバックし、回転速度と慣性を用いて電力演算することができるので、これを制御できる。これは、同期発電機３の出力とは別であり、同期発電機３の定常的な出力については、ガスタービンの出力と略一致しており、実施例１で示したようにガスタービン制御装置２０Ａが制御している。

そこで、このようなガスタービン発電機と、二次電池７を備えたガスタービン発電複合装置は、実施例１と同じように、出力指令を３通りに分配し、それぞれを協調制御することで、高速に応答可能な複合発電装置を得ることができる。

以上説明した実施例２は、ガスタービン２Ａと、タービン１の駆動力で発電する発電機である同期発電機３と、ガスタービン２Ａの出力を制御する第一の制御装置であるガスタービン制御装置２０Ａと、同期発電機３と外部系統を結ぶ電力伝達経路と、電力伝達経路上に設けられ、ガスタービン２Ａから外部系統に供給される電力の周波数を変換する周波数変換器６と、ガスタービンのトルクを制御する第二の制御装置であるモータ制御装置２０Ｂと、電力伝達経路に並列な経路上に設けられた二次電池７と、二次電池７から外部系統に供給される電力の周波数を変換する第二の周波数変換器である電力変換器５と、二次電池７から外部系統に供給される電力を制御する第三の制御装置である電池制御装置２０Ｃと、ＧＴ制御装置２０Ａ、モータ制御装置２０Ｂ、電池制御装置２０Ｃに出力指令を分配する第四の制御装置であるプラント制御装置２０を有するガスタービン複合発電装置である。

このガスタービン複合発電装置は、第二の制御装置であるモータ制御装置２０Ｂが、周波数変換器６に指令を与えることで発電機３の回転速度を可変に制御し、その回転速度変化分を回転軸の慣性エネルギーとして演算する演算機能を持っており、この制御により１軸式ガスタービンでも慣性エネルギーを負荷平準化に有効に利用することができる。

図６は、本発明の別の実施例を示す。図１の構成では、二軸ガスタービン、周波数変換器と二次電池で構成されていたが、このほかに、二次電池と並列に繋がれた分散型電源装置５１や５２があっても良い。分散型電源装置としては、別途設けられた本実施例に記載のガスタービン発電機や、通常のガスタービン発電機、ディーゼルエンジン、ガスエンジンなどを使う燃焼式発電機、あるいは、風力発電機、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、水力発電機、特性の異なる二次電池等のいずれかを利用することができる。その場合は、各分散型電源装置の発電量を計測し、全体出力指令との差分を出力指令値とし、実施例１や２で示した装置の出力で補償するように協調制御すると、実施例１や２と同様の効果を得ることができる。

以上説明した各実施例のガスタービン複合発電装置は、ガスタービンと、タービンの駆動力で発電する発電機と、ガスタービンの出力を制御する第一の制御装置と、ガスタービンから外部系統に供給される電力の周波数を変換する周波数変換器と、ガスタービンのトルクを制御する第二の制御装置と、ガスタービン以外の電力供給装置と、電力供給装置から外部系統に供給する電力を制御する第三の制御装置と、第一の制御装置、第二の制御装置、第三の制御装置に出力指令を分配する第四の制御装置を有しているため、負荷追従性が高く、かつ、設備が簡素な負荷平準化に適した装置である。

１ タービン
２Ａ 一軸ガスタービン
２Ｂ 二軸ガスタービン
３ 発電機
４ ガスタービン軸
４Ｈ 二軸ガスタービン高圧軸
４Ｌ 二軸ガスタービン低圧軸
５ 二次電池用変換器
６ 周波数変換器・・・
７ 二次電池
８ 回転センサ
９ 電動機
１０ 燃焼器
１１ 圧縮機
１２ 入口案内翼
２０ 発電システム全体制御器
２０Ａ ガスタービン制御器
２０Ｂ モータ・発電機制御器
２０Ｃ 電池制御器
３１〜３６ 電力伝達経路
４１ 電流センサ
５１ 太陽光発電・風力発電など
５２ 他電源（ディーゼル発電機など）
６１Ａ 系統遮断器
６１Ｂ モータ用変換器遮断器
６１Ｃ 電池用遮断器
８１Ａ 系統変圧器
８１Ｂ モータ用変圧器
８１Ｃ 電池用変圧器
１００ 系統

Claims (17)

1. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えたガスタービンと、
   前記タービンの駆動力で発電する発電機と、
   前記ガスタービンの出力を制御する第一の制御装置と、
   前記ガスタービンから外部系統に供給される電力の周波数を変換する周波数変換器と、
   前記ガスタービンのトルクを制御する第二の制御装置と、
   前記ガスタービン以外の電力供給装置と、
   前記電力供給装置から前記外部系統に供給する電力を制御する第三の制御装置と、
   前記第一の制御装置、前記第二の制御装置、前記第三の制御装置に出力指令を分配する第四の制御装置を有することを特徴とするガスタービン複合発電装置。
2. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動される高圧タービンと、前記圧縮機と前記高圧タービンとをつなぐ第一回転軸と、前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、前記低圧タービンの回転軸である第二回転軸とを備え、前記圧縮機の空気取り込み口に設けられた入口案内翼を備えたガスタービンと、
   前記第二回転軸に接続され前記低圧タービンの駆動力で発電する発電機と、
   前記ガスタービンの出力を制御する第一の制御装置と、
   前記第一回転軸に接続され、前記第一回転軸と前記第二回転軸との間で動力バランスを調整する電動機と、
   前記発電機と外部系統を結ぶ電力伝達経路と、
   前記電力伝達経路と前記電動機との間で、前記外部系統に供給する電力の周波数を変換する第一の周波数変換器と、
   前記電動機を制御することにより前記ガスタービンのトルクを制御する第二の制御装置と、
   前記電力伝達経路に並列な経路上に設けられた二次電池と、
   前記二次電池から前記外部系統に供給される電力の周波数を変換する第二の周波数変換器と、
   前記二次電池から前記外部系統に供給される電力を制御する第三の制御装置と、
   前記第一の制御装置、前記第二の制御装置、前記第三の制御装置に出力指令を分配する第四の制御装置を有することを特徴とする請求項１のガスタービン複合発電装置。
3. 請求項２のガスタービン複合発電装置において、
   前記第一の制御装置は、前記入口案内翼を制御することで前記ガスタービンの出力を制御し、
   前記第二の制御装置は、前記第一の周波数変換器を介して前記電動機の回転数を制御することで前記ガスタービンのトルクを制御し、
   前記第三の制御装置は、前記第二の周波数変換器を介して前記二次電池からの電力を制御することを特徴とするガスタービン複合発電装置。
4. 請求項２または３のガスタービン複合発電装置において、
   前記発電機が同期発電機であることを特徴とするガスタービン複合発電装置。
5. 請求項２から４の何れかのガスタービン複合発電装置において、
   前記電動機の容量が前記発電機の１／２以下であることを特徴とするガスタービン複合発電装置。
6. 請求項２から５の何れかのガスタービン複合発電装置において、
   前記電動機は前記圧縮機とギアを解さずに機械的に繋がっていることを特徴とするガスタービン複合発電装置。
7. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記圧縮機と同じ回転軸に繋がれ前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるタービンと前記圧縮機の空気取り込み口に設けられた入口案内翼を備えたガスタービンと、
   前記タービンの駆動力で発電する発電機と
   前記ガスタービンの出力を制御する第一の制御装置と、
   前記発電機と外部系統を結ぶ電力伝達経路と、
   前記電力伝達経路上に設けられ、前記ガスタービンから外部系統に供給される電力の周波数を変換する周波数変換器と、
   前記ガスタービンのトルクを制御する第二の制御装置と、
   前記電力伝達経路に並列な経路上に設けられた二次電池と、
   前記二次電池から前記外部系統に供給される電力の周波数を変換する第二の周波数変換器と、
   前記二次電池から前記外部系統に供給される電力を制御する第三の制御装置と、
   前記第一の制御装置、前記第二の制御装置、前記第三の制御装置に出力指令を分配する第四の制御装置を有することを特徴とする請求項１のガスタービン複合発電装置。
8. 請求項７のガスタービン複合発電装置において、
   前記第二の制御装置が、前記第一の周波数変換器に指令を与えることで前記発電機の回転速度を可変に制御し、その回転速度変化分を回転軸の慣性エネルギーとして演算する演算機能を持つことを特徴とするガスタービン複合発電装置。
9. 請求項１から８の何れかのガスタービン複合装置において、
   前記発電機は、前記タービンとギアを介さずに機械的に接続されていることを特徴とするガスタービン複合発電装置。
10. 請求項１から９の何れかのガスタービン複合装置において、
    前記電力供給装置と並列に繋がれた分散型電源装置を備えたことを特徴とするガスタービン複合発電装置。
11. 請求項１０のガスタービン複合装置において、
    前記第四の制御装置は、前記分散型電源装置の出力とシステム全体の要求出力の差分を出力指令として前記第一の制御装置、前記第二の制御装置、前記第三の制御装置に分配することを特徴とするガスタービン複合発電装置。
12. 請求項１から１１の何れかのガスタービン複合装置において、
    前記電力供給装置及び前記分散型電源装置は、燃焼式発電装置、風力発電装置、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、水力発電装置、二次電池の何れかであることを特徴とするガスタービン複合発電装置。
13. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えたガスタービンと、
    前記タービンの駆動力で発電する発電機と
    前記ガスタービン以外の電力供給装置を有するガスタービン複合発電装置の制御方法において、
    前記ガスタービンの出力制御、前記ガスタービンの慣性力制御、前記電力供給装置からの電力制御の３通りの制御を組み合わせたことを特徴とするガスタービン複合発電装置の制御方法。
14. 請求項１３のガスタービン複合発電装置の制御方法において、
    出力指令の変化率に応じて前記３通りの制御の分配を決定することを特徴とするガスタービン複合発電装置の制御方法。
15. 請求項１３または１４のガスタービン複合発電装置の制御方法において、
    前記ガスタービンの出力制御は前記圧縮機の入口案内翼の開閉により実施し、前記ガスタービンの慣性力制御中は前記入口案内翼の開閉は実施しないことを特徴とするガスタービン複合発電装置の制御方法。
16. 請求項１３から１５の何れかのガスタービン複合発電装置の制御方法において、
    前記ガスタービンの慣性力制御と前記ガスタービンの燃焼温度制御とを協調させることを特徴とするガスタービン複合発電装置の制御方法。
17. 請求項１３から１６の何れかのガスタービン複合発電装置の制御方法において、
    前記電力供給装置は二次電池であり、前記二次電池の充電率と前記ガスタービンの慣性力制御とを強調させることを特徴とするガスタービン複合発電装置の制御方法。

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