JPWO2016038672A1 - 発電システムおよび発電方法 - Google Patents

Abstract

負荷変動に対する発電設備の追従性能を高めると共に、発電設備の信頼性を高める。多軸ガスタービンの動特性を模擬する動特性モデルを用いて、第一発電機の出力を出力目標値に合わせるように燃焼器を制御した場合の第一発電機の出力の予測値を算出し、出力目標値及び第一発電機の出力の予測値に基づいて、第一発電機から電力系統への出力の指令値である第一発電機出力指令値と、第二発電機から電力系統への出力の指令値である第二発電機出力指令値とを算出し、第一発電機出力指令値に基づいて燃焼器を制御し、第二発電機出力指令値に基づいて周波数変換器を制御する。

Description

本発明は、発電システムに関する。

火力発電プラントは、主に化石燃料から燃焼によって取り出された燃焼熱をもとに発電機器を駆動させて発電する発電装置であり、燃料や発電機器の組合せでさまざまな発電装置がある。例えば、石炭や重油などをボイラで燃焼し、その燃焼熱で蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動させ発電する蒸気タービン発電装置や、大気を圧縮機で圧縮し燃焼器にて燃料と圧縮空気を混合燃焼させ、その燃焼空気により、ガスタービンを駆動させて発電するガスタービン発電装置や、ガスタービンで燃焼した排ガスを利用し、排熱回収ボイラにて蒸気を発生させ、その蒸気にて蒸気タービンを駆動させるコンバインドサイクル発電装置がある。

一方、近年、二酸化炭素低減の観点から自然エネルギーを利用した再生可能エネルギー発電が注目されている。特に、風力発電や太陽光発電を利用した発電が急速に広まっている。しかしながら、自然の状況は制御することができないため、得られる発電出力は一定とならず変動する。このような電源を系統に接続すると系統が不安定になり、系統周波数を一定に保てなくなる恐れがある。また、ガスタービンをはじめとする汽力発電は、定格負荷時に効率が最大となるよう設計されるのが一般的であるため、部分負荷時の運転では、効率が低下する。

特許文献１では、風力発電や太陽光発電の不安定電源に対し、ガスエンジンやガスタービン発電機など複数の容量の異なる電源や熱電負荷が接続された電力系統において、系統負荷に応じた発電指令の発生と熱電負荷の排熱回収量や蓄熱量を調整する制御装置が記載されている。

特許文献２では、風力発電設備とガスタービン設備による余剰電力を重質油改質設備へ供給する複合プラントが記載されている。

特許文献３では、複数スプールをもつ多軸ガスタービンエンジンに補助発電機／モータを接続し、スプールへの動力注入あるいはスプールからの動力抽出で部分負荷効率向上を実現するシステムが記載されている。

特開２００５−１５１７４６号公報 特開２００８−２８５５７１号公報 特表２００７−５０５２６１号公報

再生可能エネルギー、特に風力発電や太陽光発電については、その発電出力は気候の変動に影響を受けるため、系統の安定化に影響を与える。今後、環境の観点やエネルギー源の多様化から再生可能エネルギーの導入増加は一層加速し、系統に与える影響はまずまず顕著化する。

特許文献１および２に記載されている方法では、再生可能エネルギー発電装置と、ガスタービン発電装置等の発電装置とが組み合わされており、更に必要とされる給電量に対し余剰分を回収するための別装置がさらに設けられている。このような技術において、各発電装置の出力特性が考慮されていないため、発電指令に対する発電装置の実際の出力と再生可能エネルギー発電装置から得られる発電出力が合わせられると、必ずしも接続系統の規制を満たすとは限らない。従って、再生可能エネルギーの出力変動に対し接続系統の規制内で発電供給することに対応することは困難である。

また、特許文献３に記載されている方法では、ガスタービン発電装置に補助発電機／モータの発電が加わることにより、ガスタービン入口温度が制限値以上になる場合がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、負荷変動に対する発電設備の追従性能を高めると共に、発電設備の信頼性を高める技術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、本発明の一態様である発電システムは、高圧タービン軸と、前記高圧タービン軸の回転に応じて圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気及び燃料を混合して燃焼させることにより燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスを受けて回転し前記高圧タービン軸を駆動する高圧タービンと、低圧タービン軸と、前記高圧タービンから排出されるガスを受けて回転し前記低圧タービン軸を駆動する低圧タービンと、電力系統に接続され、前記低圧タービン軸の回転を用いて発電し、発電した電力を前記電力系統へ出力する第一発電機と、を含む多軸ガスタービンと、電力の入出力に応じて前記高圧タービン軸の加減速を行う第二発電機と、前記第二発電機の端子に接続される周波数変換器と、前記周波数変換器及び前記第一発電機の端子の間に接続される変圧器と、前記発電システムの出力の時系列の目標値である出力目標値を記憶し、前記多軸ガスタービンの動特性を模擬する動特性モデルを用いて、前記第一発電機の出力を前記出力目標値に合わせるように前記燃焼器を制御した場合の前記第一発電機の出力の予測値を算出し、前記出力目標値及び前記第一発電機の出力の予測値に基づいて、前記第一発電機から前記電力系統への出力の指令値である第一発電機出力指令値と、前記第二発電機から前記電力系統への出力の指令値である第二発電機出力指令値とを算出し、前記第一発電機出力指令値に基づいて前記燃焼器を制御し、前記第二発電機出力指令値に基づいて前記周波数変換器を制御する制御部と、を備える。前記第一発電機出力指令値が前記出力目標値より小さい場合、前記周波数変換器は、前記制御部からの指示に基づいて前記第二発電機の出力を周波数変換して前記電力系統へ出力することにより、前記第二発電機は、前記高圧タービン軸を減速させて得られる電力を前記周波数変換器へ出力し、前記変圧器は、前記周波数変換器の出力を昇圧して前記電力系統へ出力する。前記第一発電機出力指令値が前記出力目標値より大きい場合、前記周波数変換器は、前記制御部からの指示に基づいて前記第一発電機の出力の一部を周波数変換して前記第二発電機へ出力することにより、前記変圧器は、前記第一発電機の出力の一部を降圧して前記周波数変換器へ出力し、前記第二発電機は、前記周波数変換器の出力を用いて前記高圧タービン軸を加速させる。

負荷変動に対する発電設備の追従性能を高めると共に、発電設備の信頼性を高めることができる。

本発明の実施例に係る２軸式ガスタービン発電装置１００を示す。 需要変動に対する２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を示す。 実施例１の発電システムの構成を示す。 関連情報データベース３００の内容を示す。 運転情報データベース６００の内容を示す。 風力発電モデルの構成を示す。 ガスタービン制御処理を示す。 Ｍ／Ｇ６を用いない場合の大気温度と発電出力の関係を示す。 Ｍ／Ｇ入力と発電出力の関係を示す。 Ｍ／Ｇ入力と発電効率の関係を示す。 ガスタービン制御処理の変形例を示す。 初期画面を示す。 運転状態表示画面を示す。 トレンド表示設定画面を示す。 トレンドグラフ画面を示す。 実施例２の発電システムの構成を示す。 太陽光発電モデルの構成を示す。 実施例３の発電システムの構成を示す。 実施例４の発電システムの構成を示す。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

本実施例では、本発明が適用された２軸式ガスタービンと、その２軸式ガスタービンを含む
について説明する。

図１は、本発明の実施例に係る２軸式ガスタービン発電装置１００を示す。

２軸式ガスタービン発電装置１００は、ガスジェネレータ１５、パワータービン１６、ＧＴ（Gas Turbine）制御装置（制御器）７ａ、周波数変換器１０を含む。

パワータービン１６は、低圧タービン２ｂ、その軸である低圧タービン軸１２ｂ、低圧タービン軸１２ｂの回転力を電力に変換する発電機５を含む。発電用ガスタービンにおいては、電力周波数を略一定とするために、パワータービン１６が略一定の低圧タービン回転数で回転することにより、発電機５を略一定の低圧タービン回転数で駆動する。発電機５で発電された電力は電力ケーブルを経て電力需要家へと送電される。

ガスジェネレータ１５は、圧縮機１、燃焼器２０、高圧タービン２ａ、電動機／副発電機（Ｍ／Ｇ）６、高圧タービン軸１２ａを含むように構成される。Ｍ／Ｇ６、圧縮機１、高圧タービン２ａは、高圧タービン軸１２ａを共有している。

ガスジェネレータ１５は、パワータービン１６と機械的に分離された構造となっているため、低圧タービン回転数と異なる高圧タービン回転数で回転することが可能である。

圧縮機１は、大気を吸気し圧縮することにより圧縮空気２１を生成する。また、圧縮機１の吸気の入口（取り込み口）には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）９が設けられている。ＩＧＶ９は自身が回転することで、圧縮機１の開口面積を変化させる。ＧＴ制御装置７ａがＩＧＶ９の開度ＣＩＧＶを変更することで圧縮機１へ流入する空気の量を変化させることができる。なお、ＩＧＶ９に限らず、高圧タービン回転数を調整する他の調速機が用いられてもよい。本実施例においては、圧縮機１へ流入する空気の量は、Ｍ／Ｇ６が高圧タービン回転数を調整することによっても変化させることができる。

燃焼器２０は、圧縮機１により生成された圧縮空気２１と燃料配管からの燃料とを、略一定の空燃比（質量比）で混合し、バーナ１８において燃焼させて燃焼ガス２２を生成する。燃焼ガス２２は燃焼器ライナ１９を経てまず、高圧タービン２ａへ流入する。バーナ１８で燃焼される燃料は、燃料配管に設けられた燃料流量制御弁８によって調整される。ＧＴ制御装置７ａは、燃料流量制御弁８を制御する。

高圧タービン２ａは、高温高圧の燃焼ガス２２の運動エネルギーにより回転力を得る。回転力は高圧タービン軸１２ａを通じて圧縮機１へ伝わり、圧縮機１を回転駆動する。燃焼ガス２２は、高圧タービン２ａにより運動エネルギーの一部を抽出された後にパワータービン１６の低圧タービン２ｂへ流入する。低圧タービン２ｂは、燃焼ガス２２の運動エネルギーにより回転力を得て、低圧タービン軸１２ｂを通じてその回転力を発電機５へ伝え、発電機５を回転駆動する。低圧タービン２ｂを通過した燃焼ガス２２は、排気１４として排出される。

また、圧縮機１により生成された圧縮空気２１の一部は、タービン冷却空気２３として抽気され、燃焼器２０を経ずに高圧タービン２ａ及び低圧タービン２ｂを含むタービン２へ供給される。タービン冷却空気２３の一部は、タービン２を構成する静翼２４と動翼２５の冷却に使用される。

また、高圧タービン軸１２ａと共に回転するＭ／Ｇ６の端子は、周波数変換器１０および変圧器５０を介して系統（電力系統）に接続されており、系統と電力を授受することで、高圧タービン軸１２ａの動作を調整することができる。具体的には、周波数変換器１０によりＭ／Ｇ６へ電力を供給することで、Ｍ／Ｇ６はモータとして動作し、高圧タービン軸１２ａにエネルギーを供給する。逆に周波数変換器１０によりＭ／Ｇ６から電力を抽出することでＭ／Ｇ６は発電機として動作し、高圧タービン軸１２ａのエネルギーを減ずる。

ＧＴ制御装置７ａは、高圧タービン回転数検出器２６ａによって検出される高圧タービン回転数、低圧タービン回転数検出器２６ｂによって検出される低圧タービン回転数、発電機５から系統への出力電力の目標値を示す発電機出力指令値（ＭＷＤ）、Ｍ／Ｇ６から系統への出力電力の目標値を示す副発電機出力指令値（ＩＭＷＤ）を含む入力を受け付け、燃料流量制御弁８を制御するＦＦＤ信号、ＩＧＶ９の開度を制御するＣＩＧＶ信号、周波数変換器１０を制御する周波数変換器制御信号を生成して送出する。なお、ＧＴ制御装置７ａは、各部の過度の温度上昇や事故の伝搬等を防ぐための保護機能を含んでいても良い。また、ＧＴ制御装置７ａは、大気温度、低圧タービン２ｂの排気１４の温度である排気温度、変圧器５０の冷却水の温度である変圧器冷却水温度等を計測するセンサから計測値を取得する。排気温度は、高圧タービン２ａの入口における燃焼ガス２２の温度であるガスタービン入口温度に応じて変化する。

Ｍ／Ｇ６を持たない２軸式ガスタービンは機械的な遅れ等により、急激な発電要求に完全に追従することは難しい。本実施例では、高速タービン軸１２ａを可変速とし、Ｍ／Ｇ６による高圧タービン回転数の変化で変動を吸収する。また、Ｍ／Ｇ６による電気的な圧縮機１のアシストにより大気温度特性の向上や部分負荷時の効率向上を実現する。

本実施例において、ＧＴ制御装置７ａは、燃料流量の制御に加え、Ｍ／Ｇ６を用いて高圧タービン回転数を制御することにより、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力電力を制御する。例えば、ＧＴ制御装置７ａは、出力を増加させたいとき、Ｍ／Ｇ６により高圧タービン回転数を低下させ、軸の回転エネルギーを電力として放出し、出力を低下させたいとき、Ｍ／Ｇ６により高圧タービン回転数を上昇させ、電力を軸の回転エネルギーとして貯蔵することができる。燃料流量によらない出力変化を行うことにより、タービン２の熱疲労などに起因する寿命低下を避けつつ高い出力変化速度を得ることができる。

さらに、本実施例の周波数変換器１０の容量は、発電機５の容量に比べて小さくすることができる。本実施例の２軸式ガスタービン発電装置１００において、出力の大部分を担う低圧タービン２ｂは定速回転をする。周波数変換器１０を要するのは、可変速運転をする高圧タービン２ａ側のみであり、このことから周波数変換器１０の容量を小さくすることができる。例えば、燃料流量による出力変化に加え、発電機５の定格出力の１０％以下の出力を変化させたい場合は、定格出力の１０％の容量の周波数変換器１０を用いることで対応できる。これにより周波数変換器１０のコストを低減することが可能である。

以下、２軸式ガスタービン発電装置１００の動作について説明する。

ＧＴ制御装置７ａは、高圧タービンで回収されるエネルギーと圧縮機１で消費されるエネルギーとが等しくなるようにバランスさせるように制御する。この制御手法として一般的には、ＩＧＶ９の開度調整による圧縮機吸い込み空気流量の変更が挙げられる。例えば、高圧タービン回転数が設定値よりも高いとき、ＧＴ制御装置７ａが、ＩＧＶ９の開度を増加させ、圧縮機吸い込み空気流量を増やすことで、圧縮機１により消費される運動エネルギーが増え、高圧タービン回転数が減少する。逆に、高圧タービン回転数が設定値よりも低いとき、ＧＴ制御装置７ａがＩＧＶ９の開度を減少させることで、高圧タービン回転数が増加する。

また、ＧＴ制御装置７ａは、燃料流量を変化させて発電機５の出力を変化させる。このとき、ＧＴ制御装置７ａは、外部から指示された発電機出力指令値（ＭＷＤ）に応じて、必要な燃料流量を示す燃料流量指令値（ＦＦＤ）を算出して燃料流量制御弁８へ送出することにより、必要な燃料を燃焼器２０へ供給し、発電機５の出力と低圧タービン２ｂにより燃焼ガス２２から回収されるエネルギーとをバランスさせる。これにより、低圧タービン回転数は略一定に制御される。さらにこのとき、ＧＴ制御装置７ａは、高圧タービン２ａにより燃焼ガス２２から回収されるエネルギーと、圧縮機１の駆動に必要なエネルギーとをバランスさせ、高圧タービン回転数が設定値に等しくなるように、ＩＧＶ９の開度を制御する。このように高圧タービン回転数は出力に対し一意に決められるのではなく、変更が可能である。

図２は、需要変動に対する２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を示す。

Ｍ／Ｇ６を含まない比較例の２軸式ガスタービン発電装置と、本実施例の２軸式ガスタービン発電装置１００とにおいて、需要が増加した場合について説明する。この図において５行３列に配置されたグラフのうち、左側の第１列が比較例のガスタービンにおいて需要変動速度が小さい（需要が緩やかに増加した）場合の動作を表し、中央の第２列が比較例のガスタービンにおいて需要変動速度が大きい（需要が急に増加した）場合の動作を表し、右側の第３列が本実施例の２軸式ガスタービン発電装置１００において需要変動速度が大きい場合の動作を表す。

各列における５行のグラフのうち、最も上の第１行のグラフは、電力変動の時間変化（需要変動）を表す。その下の第２行のグラフは、ガスタービン出力の時間変化を表す。その下の第３行のグラフは、系統周波数の時間変化を表す。その下の第４行のグラフは、高圧タービン回転数の時間変化を表す。最も下の第５行のグラフは、低圧タービン回転数の時間変化を表す。これらの５行のグラフの横軸は共通の時間軸である。

比較例のガスタービンでは、需要変動が小さい場合、燃料流量による出力制御により需要の変動を吸収可能であるが、需要変動が大きくなった場合、需要変動に合わせた目標値に対して出力変化が追いつかずに出力不足となった場合、低圧タービン回転数が低下し、系統周波数も合わせて低下する。逆に、出力過剰となった場合、低圧タービン回転数が上昇し、系統周波数も合わせて上昇する。

本実施例の２軸式ガスタービン発電装置１００では、周波数変換器１０を用いて、燃料流量の制御による出力変化の不足分をＭ／Ｇ６から抽出する。燃料流量の制御だけでは出力が不足する場合、周波数変換器１０の制御により、高圧タービン回転数が低下し、回転エネルギーが電力へと変換されることで不足分が補填される。このとき、ＩＧＶ９の開度は、低下した高圧タービン回転数でも圧縮機１による消費エネルギーと、高圧タービン２ａによる回収エネルギーがバランスするように決定される。また、高圧タービン回転数に応じたＭ／Ｇ６の出力周波数は、周波数変換器１０により基準周波数へと変換される。こうすることで、需要の急変時にも系統周波数を安定化させることができる。ここで、周波数変換器１０としては、公知のインバータ及びコンバータの組み合わせなどを利用することができる。例えば、周波数変換器１０は、一方の端子から入力された交流電力を、直流電力に変換し、更に指示された周波数の交流電力に変換して他方の端子へ出力する。

需要が増加した場合、制御装置２００は、燃焼器２０を制御することにより、燃焼器２０の燃料流量を増加させると共に、周波数変換器１０を制御することにより、Ｍ／Ｇ６を用いて高圧タービン軸１２ａを減速させ、需要が減少した場合、制御装置２００は、燃焼器２０を制御することにより、燃料流量を減少させると共に、周波数変換器１０を制御することにより、Ｍ／Ｇ６を用いて高圧タービン軸１２ａを加速させる。周波数変換器１０の制御による出力の応答は、燃焼器２０の制御による出力の応答に比べて高速であるため、本実施例の２軸式ガスタービン発電装置１００は、需要の急変に追従できる。

前述のように、燃料流量の増加と共に、ＧＴ制御装置７ａは、圧縮機１により消費される運動エネルギーと、高圧タービン２ａが燃焼ガス２２から受ける運動エネルギーとをバランスさせるように、ＩＧＶ９の開度を決定する。具体的には、ＧＴ制御装置７ａは、高圧タービン回転数が低下した場合に、ＩＧＶ９を開き、高圧タービン回転数が上昇した場合に、ＩＧＶ９を閉じることにより、圧縮機吸い込み空気流量を略一定に保つ。これにより、燃料流量に対して空燃比を保つ、発電機５の出力を指令値に保つことができる。

ここで、一般に、ガスタービンは、最大負荷で最も効率が良くなるように設計されているため、ＩＧＶ９を開くと圧縮機１の効率は向上する。例えば、ＧＴ制御装置７ａが、燃料増加により出力を増加させると共に、Ｍ／Ｇ６が圧縮機１をブレーキすることにより高圧タービン回転数を低下させた場合、ＩＧＶ９を開く。これにより、圧縮機１の効率が向上し、圧縮機１の吐出空気温度が低下すると共に、圧縮機１による消費エネルギーが減少する。そのため、燃料増加による出力の増加に加え、圧縮機１による消費エネルギーの減少分も出力が増加する。さらに、吐出空気温度の低下により、燃焼ガス２２の温度が低下するため、燃料増加による燃焼ガス２２の温度の上昇量を小さくすることができ、信頼性を向上させることができる。逆に、ＧＴ制御装置７ａが、燃料減少により出力を減少させると共に、Ｍ／Ｇ６が圧縮機１をアシストすることにより高圧タービン回転数を増加させた場合、ＩＧＶ９を閉じる。これにより、圧縮機効率が低下し、圧縮機１の吐出空気温度が増加すると共に、圧縮機１による消費エネルギーが増加する。そのため、燃料減少による出力の減少に加え、圧縮機１による消費エネルギーの増加分も出力が減少する。さらに、吐出空気温度の増加により、燃焼ガス２２の温度が上昇するため、燃料減少による燃焼ガス２２の温度の低下量を小さくすることができ、信頼性を向上させることができる。このような有益な相乗効果を得ることができる。

また、圧縮機１の設計において、高圧タービン回転数低下時に圧縮機効率が上昇し、高圧タービン回転数上昇時に圧縮機効率が低下するように動作点を設定しておいても良い。こうすることで、上記と同様の有益な相乗効果を得ることができる。

以下、２軸式ガスタービン発電装置と再生可能エネルギー発電装置とを組み合わせた発電システムについて説明する。ここでは、再生可能エネルギーとして風力を用いる。

図３は、実施例１の発電システムの構成を示す。

この発電システムは、風力発電装置３０、２軸式ガスタービン発電装置１００、制御装置２００、支援ツール９１０、入力装置９００、画像表示装置９５０を含む。

風力発電装置３０は、複数機の風力発電機３１からなる。風力発電装置３０は、風況を計測するための風速計を含み、風況に応じてブレードのピッチや風車の向き（ヨー）を制御する。風力発電装置３０は、一定以上の風速を受けることで発電し、強風時はブレードで風を受けないようピッチを変え、停止する。風速に対する発電出力の特性は、風力発電装置３０の設計に依存する。風力発電装置３０で得られる風況情報や制御に必要な計測信号１２０と、風力発電装置３０を制御するための制御信号１３０とは、制御装置２００に蓄積される。

２軸式ガスタービン発電装置１００は、制御装置２００からの制御信号１５０を受けて所望の状態に制御される。制御信号１５０（出力指令）は、燃焼器２０の制御のためのＭＷＤと、周波数変換器１０の制御のためのＩＭＷＤとを含む。２軸式ガスタービン発電装置１００の各部の状態量は、計測信号１４０として制御装置２００に取り込まれる。

制御装置２００は、２軸式ガスタービン発電装置１００からの計測信号１４０をもとに、発電要求に対し適切な運転状態となるよう各種操作端を操作する。

関連情報データベース３００は、風力発電の予測や現状を把握するための情報を格納する。運転情報データベース６００は、風力発電装置３０と２軸式ガスタービン発電装置１００から得られた計測信号１２０、１４０をそれぞれ格納する。これらのデータの形態については、後述にて、詳しく説明する。

モデル計算部４００は、計測信号１２０、１４０から得られる情報に基づいて、風力発電装置３０の出力である風力発電出力の予測値を計算し、風力発電の変動分を相殺する信号を２軸式ガスタービン発電装置１００に入力した際の出力値を計算する。ここで、風力発電出力の予測値を計算するために必要なデータは、例えば、外気（大気）温度、湿度などの大気情報、風速、風力発電機３１の出力などが挙げられる。これらデータの形態については、後述にて、詳しく説明する。

制御部５００では、モデル計算部４００の結果を受け、適切な制御信号１３０を算出して出力する。この制御信号１３０に基づいて、２軸式ガスタービン発電装置１００の空気量や燃料流量が操作され、出力が制御される。また、周波数変換器１０の制御信号についても同様である。これら制御装置２００により生成された信号や情報は、必要に応じて、支援ツール９１０にも出力される。制御信号１３０を求めるアルゴリズムについては、後述にて、詳しく説明する。

２軸式ガスタービン発電装置１００に関わる運転員等のユーザは、支援ツール９１０を用いることにより、２軸式ガスタービン発電装置１００に関する様々な情報を見ることが可能である。支援ツール９１０は、キーボード９０１とマウス９０２を含む入力装置９００と、画像表示装置９５０とに接続されている。また、支援ツール９１０は、制御装置２００内の情報にアクセスすることができる。

支援ツール９１０は、外部入力インターフェイス９２０、データ送受信処理部９３０、外部出力インターフェイス９４０を含む。支援ツール９１０は、メモリ及びマイクロプロセッサを含むコンピュータであってもよい。

入力装置９００により生成された入力信号８００は、外部入力インターフェイス９２０を介して支援ツール９１０に取り込まれる。また、制御装置２００からの情報についても、同様に外部入力インターフェイス９２０を介して支援ツール９１０に取り込まれる。データ送受信処理部９３０は、外部入力インターフェイス９２０により受信された入力信号８０１を処理し、出力信号８０２として外部出力インターフェイス９４０に送信する。出力信号８０３は、画像表示装置９５０に表示される。

以下では、関連情報データベース３００と運転情報データベース６００に格納されている計測信号について説明する。

図４は、関連情報データベース３００の内容を示す。

関連情報データベース３００は、気候状態情報を含む。ここでの気候状態情報は、風力発電に関する項目だけでなく太陽光発電に関する項目も含む。気候状態情報は、外部のセンサ又は風力発電装置３０により定期的に計測された情報であり、時刻毎のエントリを有する。ある時刻のエントリは、時刻、天気、気温、風向、風速、湿度、日射量を含む。時刻の周期は、計測可能な時間幅により決定される。天気は、気象庁が一般向けに発信している１５種類を用いて表現する。風向きは日本では１６方位を用いるのが一般的であるが、国際式では、真北を基準とし、時計回りの方向に３６０度に分割して表現する３６０方位が用いられている。図中では、３６０方位で表現しているが、１６方位においてもそれぞれの方位に対して２２．５度の割合を与えれば、同様に度で数値化できる。

関連情報データベース３００は、その他、風力発電装置３０の設計情報、２軸式ガスタービン発電装置１００の設計情報、系統接続の規制やルールなどの情報も格納する。

図５は、運転情報データベース６００の内容を示す。

運転情報データベース６００は、風力発電装置３０および２軸式ガスタービン発電装置１００により定期的に計測された情報を、計測された時刻毎に格納する。各時刻のエントリは、計測値毎の項目を有する。ＰＩＤ番号とは、運転情報データベース６００に格納されているデータを容易に活用できるよう、各計測値に割り付けられた固有の番号である。ＰＩＤ番号の下のアルファベットは、被計測対象を示す記号である。例えば、流量値Ｆ、温度値Ｔ、圧力値Ｐ、発電出力値Ｅ、濃度値Ｄである。尚、この図の例では１秒周期でデータを保存しているが、データ収集のサンプリング周期は対象となる２軸式ガスタービン発電装置１００によって異なる。温度値Ｔは、大気温度、排気温度、変圧器冷却水温度等である。

次に、制御装置２００におけるモデル計算部４００について説明する。

モデル計算部４００は、風況と現在の風力発電の出力から将来の風力発電出力を求めるための風力発電モデルを作成し、風力発電モデルへ計測値を入力することにより、風力発電モデルの出力を再生可能エネルギー出力予測値として算出する。

図６は、風力発電モデルの構成を示す。

風力発電モデルは、入力層、中間層、出力層を持ち、それぞれの層には、複数のノードが含まれる。これらのノードは、入力層から出力層に向かって、リンクされており、リンクの強さを表す重み係数が設定されている。つまり、重み係数はノード間の連結数だけ存在する。風力発電モデルはニューラルネットワークと呼ばれており、人間の持つ脳神経ネットワークを模擬したものである。風力発電モデルに、入力値を与え、その入力値に対する所望の出力値が出力されるよう重み係数を調整することで、入力値のもつ相関関係をモデルとして表現できるようになる。この調整を学習と呼んでいる。例えば、運転情報データベース６００に格納されている或る時刻を学習の対象時刻とするとき、入力値は、対象時刻より過去の関連情報データベース３００に格納されている温度、風速、湿度や、運転情報データベース６００に格納されている風力発電装置３０の出力等であり、出力値は、対象時刻の風力発電装置３０の出力である。学習が完了すると、風力発電モデルに入力値を入力することで、その時の入力値のもつ相関関係をもとに、出力値を推定することが可能となる。各ノードに設定する関数はシグモイド関数と呼ばれる指数関数を用いるのが一般的であるが、それに限定するものではない。また、学習時に、重み係数を適切に調整するアルゴリズムは多数考案されている。一般的には、バックプロパゲーション法が用いられる。

従って、モデル計算部４００は、風力発電モデルを構築するために過去に蓄積されたデータあるいは設計データをもとに風力発電モデル内のパラメータを学習する。運転開始後、モデル計算部４００は、学習で得られたパラメータをもとに予測を実施するが、予測値と実測値の差の大きさが予め定められた設定値よりも大きくなると、それまでに蓄積されたデータをもとに再度学習して風力発電モデルを構築する。

また、それぞれの風力発電機３１に対し個別の風力発電モデルを作成するのか、風力発電装置３０（ウィンドファーム）一括で１つの風力発電モデルとするのかは、適用する形態に応じて決定する。

なお、予測値を算出する対象の時間の長さである予測時間は、２軸式ガスタービン発電装置１００の発電出力の特性で決定される。つまり、２軸式ガスタービン発電装置１００へＭＷＤを与えてから２軸式ガスタービン発電装置１００の出力が実際にＭＷＤに等しくなるまでの遅れ分を事前に予測する必要がある。これについては後述する。

更にモデル計算部４００は、２軸式ガスタービン発電装置１００へのＭＷＤのために、２軸式ガスタービン発電装置１００を表現するガスタービンモデルを用い、ガスタービンモデルへ出力の目標値及び計測値を入力することにより、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を予測する。

モデル計算部４００には、ガスタービンモデルが予め設定される。ガスタービンモデルとして、圧力や流量のマスバランスを基本とする動特性モデルを用いるのが一般的であるが、風力発電モデルの作成と同様にして、ニューラルネットワークによるモデル化も可能である。

２軸式ガスタービン発電装置１００が賄うべき電力量は、風力発電出力を相殺する出力、つまり、発電システムの出力の目標であるシステム出力目標値（合計出力目標値）から風力発電出力を差し引いた値である。この値を、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力目標値であるガスタービン出力目標値と呼ぶ。ただし、Ｍ／Ｇ６を用いない場合の２軸式ガスタービン発電装置１００は、機械的要素による遅れが生じるため、入力されるＭＷＤの変化に対して発電機５の出力が遅れる。そのため、風力発電装置３０の出力と、Ｍ／Ｇ６を用いない場合の２軸式ガスタービン発電装置１００の出力との合計は、システム出力目標値に一致せずに、差分（漏れ）が発生する場合がある。モデル計算部４００は、ガスタービンモデルを用いて、Ｍ／Ｇ６を用いない場合の２軸式ガスタービン発電装置１００にＭＷＤとしてシステム出力目標値を与えた場合の発電機５の出力を計算する。ガスタービンモデルには、Ｍ／Ｇ６を用いない場合の２軸式ガスタービン発電装置１００の最大負荷変化率が設定されていてもよい。この場合、ガスタービンモデルは、最大負荷変化率以内でシステム出力指令値に追従するように振る舞う。制御部５００は、ガスタービンモデルの出力を２軸式ガスタービン発電装置１００へのＭＷＤとし、ガスタービンモデルにより追従できない差分を、周波数変換器１０に与えるＩＭＷＤとする。

なお、制御部５００の各ステップの計算に要する時間に対して、発電要求に応答するための時間が短い場合などにおいて、ガスタービンモデルは動特性モデルより計算負荷が軽い伝達関数を用いてもよい。この場合の伝達関数は、ガスタービンの機械的遅れを模擬できるように一次遅れあるいはむだ時間を考慮する。

次に、制御部５００が２軸式ガスタービン発電装置１００を制御するガスタービン制御処理について説明する。

図７は、ガスタービン制御処理を示す。

ステップ５０１で制御部５００は、系統の接続条件よりシステム出力目標値を決定する。系統の接続条件は、発電システムが系統に接続（連系）するための条件を示し、国や地域等によって異なる。多くの接続条件は、負荷変動許容幅と周波数変動許容幅を規定している。本実施例の発電システム以外に幾つかの電源が接続されているような系統であれば、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を急速に変化させても、周波数の変動を系統が吸収できる。そのため、制御部５００は、負荷変動許容幅を考慮してシステム出力目標値を算出する。一方、アイランドオペレーションに代表されるように系統に接続されている電源が少ない場合、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を急速に変化させると、低圧タービン回転数が変化し、系統周波数に影響を与えることになる。従って、その場合には、周波数の変動が周波数変動許容幅に収まるように負荷変化率を予め決定し、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を負荷変化率以下で変化させる必要がある。なお、システム出力目標値は、中央給電指令所から発令され、発電システムの出力を指示する給電指令値であってもよい。

ステップ５０２で制御部５００は、モデル計算部４００により得られた再生可能エネルギー出力予測値と、運転情報データベース６００により得られた現在の風力発電装置３０の出力の計測値である再生可能エネルギー出力計測値とを取得し、再生可能エネルギー出力予測値から再生可能エネルギー出力計測値を差し引くことにより誤差を計算し、誤差の大きさが予め設定された誤差許容値以下であるか否かを判定する。

誤差の大きさが誤差許容値以下であれば（Ｙｅｓ）、制御部５００は処理をステップ５０３へ移行させる。そうでなければ（Ｎｏ）、制御部５００は処理をステップ５０４へ移行させる。

ステップ５０３で制御部５００は、システム出力目標値から風力発電出力予測値を差し引くことによりガスタービン出力目標値を算出し、処理をステップ５０６へ移行させる。これにより、２軸式ガスタービン発電装置１００は、風力発電装置３０等の再生可能エネルギー発電装置の出力変動を吸収することができる。なお、モデル計算部４００が、再生可能エネルギー出力予測値を算出する代わりに、制御部５００は、系統における電力系統における電力の需要と、他の発電機に関する情報とに基づいて、系統の電力需給変動の予測値を算出し、電力需給変動の予測値に基づいて、ガスタービン出力目標値を算出してもよい。これにより、外部から取得した情報を用いて電力需給変動を予測し、ガスタービン出力目標値を算出することができる。

ステップ５０４で制御部５００は、風力発電モデルを再学習する。その後、ステップ５０５では、システム出力目標値から再生可能エネルギー出力計測値を差し引くことにより、ガスタービン出力目標値を算出し、処理をステップ５０６へ移行させる。つまり、この場合、制御部５００は、再生可能エネルギー出力予測値を用いない。

ステップ５０６で制御部５００は、モデル計算部４００へガスタービン出力目標値を入力することにより発電機出力予測値を計算させる。ここでモデル計算部４００は、ガスタービン出力目標値及び計測値をガスタービンモデルへ入力することにより、発電機出力予測値を計算する。

その後、ステップ５０７で制御部５００は、ガスタービン出力目標値から発電機出力予測値を差し引くことにより、出力差分値を算出する。その後、ステップ５０８で制御部５００は、発電機出力予測値をＭＷＤへ設定し、出力差分値をＩＭＷＤへ設定する。これにより、ガスタービン出力目標値のうち、ＭＷＤによる燃焼器２０の制御で追従できないと予測された分を、ＩＭＷＤによる周波数変換器１０の制御に配分することができる。

その後、ステップ５０９で制御部５００は、大気温度に基づいてＩＭＷＤを補正する大気温度補正処理を行う。

ここでは、大気温度補正処理について説明する。

図８は、Ｍ／Ｇ６を用いない場合の大気温度と発電出力の関係を示す。

大気温度が高くなると、圧縮機１から入力される圧縮空気２１の質量流量が下がるため、ＭＷＤに応じて設定された燃料の質量流量に対して、圧縮空気２１の質量流量が不足し、発電出力が減少する。この特性は、ガスタービンの基本特性である。大気温度がある設計温度（大気温度閾値）になるまで発電出力は１００％（定格）となるが、大気温度が設計温度を超えて上昇するにつれて出力が減少する。

本実施例における２軸式ガスタービン発電装置１００では、圧縮機１に接続されたＭ／Ｇ６は、周波数変換器１０から電気エネルギーを供給されることで電動機の役割をし、圧縮機１の運動エネルギーを受け電気エネルギーを周波数変換器１０へ出力することで発電機の役割をする。周波数変換器１０から電気を供給されたＭ／Ｇ６が圧縮機１をアシストすることで大気温度が設計温度より高い場合でも出力を向上させることができる。以後、周波数変換器１０からＭ／Ｇ６へ入力される電力をＭ／Ｇ入力と呼ぶ。ここで、ＩＭＷＤは、Ｍ／Ｇ６から周波数変換器１０へ出力される電力を表すため、Ｍ／Ｇ入力の符号は、ＩＭＷＤの符号と逆である。

図９は、Ｍ／Ｇ入力と発電出力の関係を示す。

ここで、大気温度が設計温度より高く、且つＭ／Ｇ入力が０であり、つまり発電出力が１００％より低いとする。ここで、Ｍ／Ｇ入力を増加させることによりＭ／Ｇ６へ電気エネルギーを入力すると、Ｍ／Ｇ６により圧縮機１の運動エネルギーが増し、たとえＩＧＶ開度が全開となっていても、圧縮機１が取り込む空気量を増加させることができるため、圧縮空気２１の質量流量が増加し、ＭＷＤに応じて設定された燃料の質量流量に対して、反応する圧縮空気２１が増加し、発電機５の出力を増加させることができる。ただし、発電機５の出力を無限に増加できるわけではなく、圧縮空気２１の増加に伴って、反応する燃料が増加することにより、燃焼温度が上昇し、排気温度が予め設定された排気温度制限値に達すると燃料が絞られるため逆に低下する。即ち、Ｍ／Ｇ入力には限界がある。

図１０は、Ｍ／Ｇ入力と発電効率の関係を示す。

発電効率も発電出力と同様である。２軸式ガスタービン発電装置１００を定格負荷以外の部分負荷で運転すると効率は低下する。圧縮機１は定格点でもっとも効率が良くなるように設計されているからである。大気温度が設計温度より高く、且つＭ／Ｇ入力が０である場合に、Ｍ／Ｇ入力を増加させることによりＭ／Ｇ６に電気エネルギーを入力すると圧縮機１の動作点が定格点に近づくため、圧縮機１の効率が上昇する。

大気温度補正処理において、制御部５００は、大気温度が設定温度より高い場合、大気温度の状態と部分負荷の状態においてそれぞれが最適となるようにＭ／Ｇ入力（アシスト量）を決定し、ＩＭＷＤからＭ／Ｇ入力を減ずることにより、ＩＭＷＤを補正する。具体的には、制御部５００は、Ｍ／Ｇ入力の増加に対する発電出力の増加量と発電効率の増加量との合計値が最大となるようなＭ／Ｇ入力を決定する。ただし、合計値に限定するものではない。制御部５００は、発電出力の増加量と発電効率の増加量のどちらか一方が最大となるＭ／Ｇ入力を選択してもよい。また、制御部５００は、大気温度が設計温度より高い場合、ステップ５０８で設定されたＩＭＷＤを用いずに、Ｍ／Ｇ入力の符号を反転させた値をＩＭＷＤへ設定してもよい。Ｍ／Ｇ６に高圧タービン軸１２ａを加速させ、圧縮空気２１の流量を増加させることにより、大気温度が設計温度より高い場合に、発電機５の出力をＭＷＤに近づけることができる。

以上が大気温度補正処理である。

その後、ステップ５１１で制御部５００は、２軸式ガスタービン発電装置１００の状態が予め定められたＭ／Ｇ制限条件（周波数変換器制限条件）を満たすか否かを判定する。Ｍ／Ｇ制限条件は例えば、ＩＭＷＤが予め定められたＩＭＷＤ制限範囲外である、又は変圧器５０の冷却水温度が予め設定された冷却水温度限界値を上回ることである。ステップ５１１で２軸式ガスタービン発電装置１００の状態がＭ／Ｇ制限条件を満たさないと判定された場合（Ｎｏ）、ステップ５１３で制御部５００は、ＭＷＤ及びＩＭＷＤを含む出力指令を２軸式ガスタービン発電装置１００へ出力し、このフローを終了する。一方、ステップ５１１で２軸式ガスタービン発電装置１００の状態がＭ／Ｇ制限条件を満たすと判定された場合（Ｙｅｓ）、制御部５００は、ステップ５１２でＩＭＷＤを制限し、処理をステップ５１１へ移行させる。

ＩＭＷＤによるアシスト量（Ｍ／Ｇ６が電動機として動作する場合）やブレーキ量（Ｍ／Ｇ６が発電機として動作する場合）に従って、Ｍ／Ｇ６が圧縮機１のトルクを増減する場合において、ＩＭＷＤ制限範囲（指令値範囲）が存在する。例えば、前述のように、大気温度が高い場合、Ｍ／Ｇ入力を増加させると圧縮機１の運動エネルギーが増加し、取り込む空気量が増加すると、燃料の増加が可能になり、出力が増加する。Ｍ／Ｇ入力を無限に増加させれば出力が無限に増加する訳ではない。燃料投入量に比例してガスタービン入口温度及び排気温度が上昇し、排気温度が排気温度制限値に達する。このときのＩＭＷＤを、ＩＭＷＤ制限範囲の下限値とする。ブレーキ量についても同様で、ブレーキにより取り込み空気量が減少し、ガスタービン入口温度や排気温度が上昇しやすくなる。従って、ＩＭＷＤを大きくすると、排気温度が排気温度制限値に達する。このときのＩＭＷＤを、ＩＭＷＤ制限範囲の上限値とする。

ＩＭＷＤ制限範囲の上限値と下限値の大きさは、発電機５の定格出力の１０％程度以下であることが望ましく、発電機５の電圧と周波数変換器１０の電圧にはかなりの差があるため、発電機５と周波数変換器１０の間に変圧器５０が必要となる。特許文献３の技術では、主発電機とインバータ装置の間が変圧器により接続されていないため、電圧差が生じる場合の用途には適用できない。ガスタービン発電装置、特に、数十ＭＷ以上のガスタービン発電装置になると周波数変換器の容量はガスタービン発電装置の定格出力の１０％以下であることが望ましい。なぜならば、それ以上の入力ではガスタービン入口温度が制限値以上になる恐れがあるからである。

ステップ５１１でＩＭＷＤがＩＭＷＤ制限範囲の上限値を上回る場合、ステップ５１２で制御部５００は、ＩＭＷＤをＩＭＷＤ制限範囲の上限値へ変更する。ステップ５１１でＩＭＷＤがＩＭＷＤ制限範囲の下限値を下回る場合、ステップ５１２で制御部５００は、ＩＭＷＤをＩＭＷＤ制限範囲の下限値へ変更する。

また、ステップ５１１で冷却水温度が冷却水温度上限値を上回ると判定された場合、ステップ５１２で制御部５００は、ＩＭＷＤを０にすることにより、Ｍ／Ｇ６、周波数変換器１０、変圧器５０の動作を停止させる。これにより、制御部５００は、冷却水温度が冷却水温度制限値以下になるまで、変圧器５０に電流を流さないように制御する。

本実施例では、Ｍ／Ｇ６を用いることにより２軸式ガスタービン発電装置１００の出力がガスタービン出力目標値に対して高速に追従するため、電力が短い時間で周波数変換器１０を行き来する。そのため、周波数変換器１０と系統の間にある変圧器５０の両端にかかる電圧が急変する。これにより、変圧器５０の冷却水温度が急変するため、冷却水温度など、変圧器５０の状態量を常に監視し、冷却水温度の条件をＭ／Ｇ制限条件に含める。

なお、ガスタービン制御処理における処理の順序は交換可能である。例えば、ステップ５０７、５０８とステップ５０９とは交換可能である。

なお、制御部５００は、２軸式ガスタービン発電装置１００の状態に基づいて発電機出力予測値に制限を与え、制限された値をＭＷＤとして設定してもよい。

以上がガスタービン制御処理である。ＭＷＤがガスタービン出力目標値より小さい（ＩＭＷＤが正である）場合、周波数変換器１０は、制御装置２００からの指示に基づいてＭ／Ｇ６の出力を周波数変換して系統へ出力することにより、Ｍ／Ｇ６は、高圧タービン軸１２ａを減速させて得られる電力を周波数変換器１０へ出力し、変圧器５０は、周波数変換器１０の出力を昇圧して系統へ出力する。ＭＷＤがガスタービン出力目標値より大きい（ＩＭＷＤが負である）場合、周波数変換器１０は、制御装置２００からの指示に基づいて発電機５の出力の一部を周波数変換してＭ／Ｇ６へ出力することにより、変圧器５０は、発電機５の出力の一部を降圧して周波数変換器１０へ出力し、Ｍ／Ｇ６は、周波数変換器１０の出力を用いて高圧タービン軸１２ａを加速させる。これにより、系統の需要変動や再生可能エネルギー発電装置の出力変動に対して、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力を高速に追従させることができる。また、２軸式ガスタービン発電装置１００の動特性を模擬する動特性モデルを用いて、発電機５の出力をガスタービン出力目標値に合わせるように燃焼器５０を制御した場合の発電機５の出力の予測値を算出し、ガスタービン出力目標値及び発電機５の出力の予測値に基づいて、ＭＷＤとＩＭＷＤとを算出することにより、燃焼器２０の制御による発電機５の出力の遅れを制御に反映することができ、ガスタービン出力目標値を発電機５とＭ／Ｇ６へ適切に配分することができる。また、変圧器５０を用いて、Ｍ／Ｇ６の出力を発電機５の出力より低く抑えることにより、ガスタービン入口温度の過度な上昇等を防ぐことができ、２軸式ガスタービン発電装置１００の信頼性を向上させることができる。

制御装置２００が、Ｍ／Ｇ制限条件を満たすと判定した場合に、周波数変換器１０の動作を制限することにより、２軸式ガスタービン発電装置１００の信頼性を向上させることができる。特に、冷却水温度が冷却水温度限界値を上回ると判定された場合、周波数変換器１０の動作を停止させることにより、変圧器５０の冷却水温度の過度な上昇を防ぐことができる。また、ＩＭＷＤがＩＭＷＤ制限範囲外であると判定された場合、ＩＭＷＤをＩＭＷＤ制限範囲内の値に変更することにより、ガスタービン入口温度の過度な上昇等を防ぐことができる。

以下、ガスタービン制御処理の変形例として、モデル計算部４００が風力発電モデル及び再生可能エネルギー出力予測値を用いない場合について説明する。

図１１は、ガスタービン制御処理の変形例を示す。

ステップ５２０で制御部５００は、系統の接続条件よりシステム出力目標値を生成する。その後、ステップ５２１で制御部５００は、このシステム出力目標値から再生可能エネルギー出力計測値を差し引くことによりガスタービン出力目標値を算出する。

その後、制御部５００は、前述のステップ５０６〜５１３と同様の、ステップ５２２〜５３３を実行する。

以上がガスタービン制御処理の変形例である。

以下、支援ツール９１０による表示について説明する。

発電システムの運転員は、支援ツール９１０を用いて、発電システムの状態を監視することができる。支援ツール９１０は、計測信号１２０、制御信号１３０、関連情報データベース３００、設定値、運転情報データベース６００の情報を示す画面を、画像表示装置９５０に表示させる。運転員は、キーボード９０１、マウス９０２を用いて画面内の入力欄にパラメータ値を入力するなどの操作を実行する。

図１２は、初期画面を示す。

初期画面は、運転状態表示ボタン９５１、トレンド表示ボタン９５２を含む。運転員は、運転状態表示ボタン９５１、トレンド表示ボタン９５２、の中から必要なボタンを選択し、マウス９０２を用いてカーソル９５３を移動させ、マウス９０２をクリックすることにより所望の画面を表示させる。運転状態表示ボタン９５１がクリックされた場合、データ送受信処理部９３０は、運転状態表示画面を画像表示装置９５０に表示させる。トレンド表示ボタン９５２がクリックされた場合、データ送受信処理部９３０は、トレンド表示設定画面を画像表示装置９５０に表示させる。

図１３は、運転状態表示画面を示す。

運転状態表示画面は、系統情報表示欄９６１、時刻入力欄９６２、表示ボタン９６３、特性状態表示欄９６４、設定条件表示欄９６５、関連情報表示欄９６６、表示ボタン９６７、戻るボタン９６８を含む。

運転員が運転状態表示画面において戻るボタン９６８をクリックすることにより、データ送受信処理部９３０は、画像表示装置９５０に初期画面を表示させる。

系統情報表示欄９６１は、発電システムの系統図を示す。運転員は、画像表示装置９５０に表示させる情報の時刻を時刻入力欄９６２に入力し、表示ボタン９６３をクリックすることにより、データ送受信処理部９３０は、系統情報表示欄９６１内の各部に、指定された時刻の状態を表示させる。具体的には、系統情報表示欄９６１は、現在、計測している箇所の温度や圧力などの状態量を、系統図内の対応する箇所に表示する。

特性状態表示欄９６４は、ガスタービン制御処理で得られる値に基づいて算出される、発電予測誤差や発電出力遅れ等の特性状態を表示する。制御部５００は、発電システムの出力の予測値から実測値を減ずることにより、発電予測誤差を算出する。また、制御部５００は、ガスタービン出力目標値と、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力の計測値とを比較することにより、ガスタービン出力目標値に基づく出力指令を２軸式ガスタービン発電装置１００へ送信した時刻から、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力がガスタービン出力目標値に達した時刻までの時間を、発電出力遅れとして算出する。

設定条件表示欄９６５は、ガスタービン制御処理の各種の設定条件を表示する。設定条件は例えば、前述の、予測許容誤差、負荷変動許容幅［％］、周波数変動許容幅［％］である。設定条件は、ＩＷＭＤ制限範囲等を含んでもよい。

関連情報表示欄９６６は、天気、気温、風向、風速、湿度、日射量等の項目の選択肢を示す。運転員が、関連情報表示欄９６６に示された項目の中から表示させたい項目を選択し、表示ボタン９６７をクリックすることで、データ送受信処理部９３０は、選択された項目の情報を、関連情報データベース３００から検索し、画像表示装置９５０に表示させる。また、運転員が、制限事項であるガスタービン（ＧＴ）入口温度、ＧＴ排気温度、変圧器冷却水温度についても表示させたい項目を選択し、表示ボタン９６７をクリックすることで、データ送受信処理部９３０は、選択された項目の情報を、運転情報データベース６００から検索し、画像表示装置９５０に表示させる。なお、ＧＴ入口温度が計測できない場合、制御部５００は、ＧＴ排気温度に基づいてＧＴ入口温度を推定してもよい。

図１４は、トレンド表示設定画面を示す。

トレンド表示設定画面は、計測信号表示欄９８１、時刻入力欄９８２、表示ボタン９８３、関連情報表示欄９８４、時刻入力欄９８５、表示ボタン９８６、戻るボタン９８９を含む。

運転員がトレンド表示設定画面において戻るボタン９８９をクリックすることにより、データ送受信処理部９３０は、初期画面を画像表示装置９５０に表示させる。

運転員は、計測信号表示欄９８１において、画像表示装置９５０に表示させたい計測信号、あるいは操作信号を選択し、選択された信号の値のレンジ（上限／下限）を入力する。例えば、信号は、システム出力目標値、再生可能エネルギー出力予測値、再生可能エネルギー出力計測値、ガスタービン出力目標値、ＭＷＤ、ＩＭＷＤ、ＦＦＤ、発電機５の出力、Ｍ／Ｇ６の出力、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力である。更に、運転員は、選択された信号の時刻の範囲を時刻入力欄９８２に入力する。その後、運転員が表示ボタン９８３をクリックすることにより、データ送受信処理部９３０は、選択された信号を、関連情報データベース３００から検索し、得られた信号のトレンドグラフを含むトレンドグラフ表示画面を画像表示装置９５０に表示させる。

関連情報表示欄９８４は、関連情報表示欄９６６と同様の項目を選択肢として示す。運転員が、関連情報表示欄９８４において、天気、気温、風向、風速、湿度、日射量の中から任意の項目を選択し、時刻の範囲を時刻入力欄９８５に入力し、表示ボタン９８６をクリックすることで、データ送受信処理部９３０は、選択された項目の情報を、関連情報データベース３００から検索し、得られた情報を含むトレンドグラフ表示画面を画像表示装置９５０に表示させる。なお、天気についてのトレンドグラフは、前述したように、気象庁が一般向けに発信している１５種類を用いて表現する。データ送受信処理部９３０は、各種類に対して番号を割り振り、これをトレンドグラフとする。つまり、データ送受信処理部９３０は、快晴を０、晴れを１、薄曇を２というように、順次、１４まで番号を割り振る。

更に、運転員が、関連情報表示欄９８４において、制限事項であるＧＴ入口温度、ＧＴ排気温度、変圧器冷却水温度の中から任意の項目を選択し、時刻の範囲を時刻入力欄９８５に入力し、表示ボタン９８６をクリックすることで、データ送受信処理部９３０は、選択された項目の情報を、関連情報データベース３００から検索し、得られた情報を含むトレンドグラフ表示画面を画像表示装置９５０に表示させる。

図１５は、トレンドグラフ画面を示す。

トレンドグラフ画面は、トレンド表示設定画面において選択された項目毎のトレンドグラフ９９２と、戻るボタン９９１とを含む。トレンドグラフ９９２の横軸の範囲は、トレンド表示設定画面において指定された時刻の範囲である。トレンドグラフ９９２の縦軸の範囲は、トレンド表示設定画面において指定されたレンジである。例えば、トレンドグラフ９９２は、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力の計測値、ガスタービン出力目標値等の時間変化を表示してもよいし、それらを比較したトレンドグラフを表示してもよい。

運転員が戻るボタン９９１をクリックすることにより、データ送受信処理部９３０は、トレンド表示設定画面を画像表示装置９５０に表示させる。

支援ツール９１０によれば、運転員は、環境、気候と合わせて、発電システムの状態を監視できる。また、支援ツール９１０が、ガスタービン出力目標値と、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力の計測値であるガスタービン出力計測値と、ガスタービン出力計測値及びガスタービン出力目標値の比較結果等を、画像表示装置９５０に表示させることにより、運転員は、２軸式ガスタービン発電装置１００が需要に追従しているか否かを監視できる。また、支援ツール９１０が、冷却水温度等を画像表示装置９５０に表示させることにより、Ｍ／Ｇ６の動作による異常を監視できる。

本実施例では、再生可能エネルギーとして太陽光発電を用いる発電システムについて説明する。本実施例では、実施例１との相違点について説明する。

図１６は、実施例２の発電システムの構成を示す。

実施例１の発電システムと比較すると、本実施例の発電システムは、再生可能エネルギー発電装置として、風力発電装置３０の代わりに太陽光発電装置１０００を含む。太陽光発電装置１０００は、太陽光パネル１１００が複数組み合わされたものである。本実施例の制御装置２００は、モデル計算部４００の代わりに、太陽光発電装置１０００のモデルである太陽光発電モデルを用いて太陽光発電装置１０００の出力を予測し、再生可能エネルギー出力予測値とするモデル計算部４０１を含む。

図１７は、太陽光発電モデルの構成を示す。

この太陽光発電モデルは、風力発電モデルと同様のニューラルネットワークで表され、過去の温度、湿度、日射量、発電出力の入力値から将来の太陽光発電装置１０００の発電出力を予測するモデルである。

本実施例におけるその他の装置やＭＷＤの生成に関するフローおよび動作は実施例１と同様である。ただし、関連する計測値は異なる場合がある。

なお、実施例１、２において、データベースは、制御装置２００内に含まれる形式で説明したが、データベースは制御装置２００外の装置であっても良い。

本実施例によれば、発電システムが、風量発電装置以外の他の再生可能エネルギー発電装置を含んでいる場合であっても、実施例１と同様、系統への出力を、再生可能エネルギー発電装置の出力と２軸式ガスタービン発電装置１００とに分担させることができる。

また、実施例１、２のそれぞれでは、２軸式ガスタービン発電装置１００を用いているが、コンバインドサイクルプラントにも本発明を適用することができる。本実施例では、実施例１との相違点について説明する。

図１８は、実施例３の発電システムの構成を示す。

実施例１の発電システムと比較すると、本実施例の発電システムは、風力発電装置３０の代わりに、蒸気タービン発電装置７１０を含む。２軸式ガスタービン発電装置１００と蒸気タービン発電装置７１０を組み合わせた発電装置をコンバインドサイクルプラント７００と呼ぶ。蒸気タービン発電装置７１０は、排熱回収ボイラ７２０、蒸気タービン７３０、発電機７４０、復水器７５０、給水ポンプ７６０、スタック７７０を含む。蒸気タービン発電装置７１０において、排熱回収ボイラ７２０は、２軸式ガスタービン発電装置１００の排気１４の排熱を利用し、熱交換で蒸気を発生することで蒸気タービン７３０を駆動し、発電機７４０が蒸気タービン７３０の回転力を電力に変換し、２軸式ガスタービン発電装置１００の出力と共に系統へ出力する。蒸気タービン７３０から排出される蒸気は、復水器７５０により凝縮されて水になり、給水ポンプ７６０により排熱回収ボイラ７２０へ供給される。排熱回収ボイラ７２０からの排気は、スタック７７０を介して排出される。

発電システム（プラント）全体の効率向上のためには、制御部５００は、通常運転において、Ｍ／Ｇ６を圧縮機１のブレーキとして用いることで、燃焼器２０における燃料に対して空気が減少し、排気温度が上昇するため、ガスタービンの後段に接続されている排熱回収ボイラ７２０における熱量増加で蒸気発生が促進され、発電システム全体としては高効率化される。２軸式ガスタービン発電装置１００単独では効率低下となるため、通常は実施しないため、コンバインドサイクルプラント７００に特有の運転となる。

制御部５００は、ガスタービン制御処理の変形例と同様の処理を実行するが、風力発電出力を用いず、システム出力目標値をガスタービン出力目標値とする。モデル計算部４００は、ガスタービンモデルとして、２軸式ガスタービン発電装置１００の動特性モデルの代わりに、コンバインドサイクルプラント７００の動特性モデルを用いる。

複数のコンバインドサイクルプラントにも本発明を適用することができる。本実施例では、実施例３との相違点について説明する。

図１９は、実施例４の発電システムの構成を示す。

本実施例の発電システムは、複数のコンバインドサイクルプラントを含む。これらの複数のコンバインドサイクルプラントにそれぞれ含まれている複数のガスタービン発電装置のうち、いずれか一つ、いずれか複数、又は全てが、実施例３と同様の２軸式ガスタービン発電装置１００である。ここで、Ｍ／Ｇ６を含まない２軸式ガスタービン発電装置を含むコンバインドサイクルプラントを通常コンバインドサイクルプラント７０１と呼び、通常コンバインドサイクルプラント７０１の制御装置を通常制御装置２０１と呼ぶ。

実施例３と同様、制御部５００は、通常運転において、Ｍ／Ｇ６を圧縮機１のブレーキとして用いる。複数のガスタービン発電装置の中の２軸式ガスタービン発電装置１００の数が多いほど、系統の負荷変動あるいはシステム出力目標値への追従が可能な電力の変化量が増加するため、制御部５００は、複数のガスタービン発電装置に対し、システム出力目標値を、この変化量を超えない範囲のガスタービン出力目標値に分配する。制御部５００は、システム出力目標値を、複数の２軸式ガスタービン発電装置１００に等しく分配してもよいし、複数の２軸式ガスタービン発電装置１００の中から順次一つの２軸式ガスタービン発電装置１００を選択し、選択された２軸式ガスタービン発電装置１００に対して追従可能な最大の変化量となるように分配してもよい。

実施例３及び４では、制御部５００は、２軸式ガスタービン発電装置１００の排気温度の変化が排熱回収ボイラ７２０の熱応力に与える影響を考慮し、排気温度の変化が予め定められた適正範囲内となるよう制御してもよいし、運転員が監視項目としてモニタし、必要と判断した場合に支援ツール９１０を用いてＭ／Ｇ制限条件を設定してもよい。例えば、Ｍ／Ｇ制限条件に排気温度の条件を含めることにより、制御部５００が排気温度の変化が適正範囲を超える場合にＩＭＷＤを０にする（ＩＭＷＤを送信しない）などの制限をかけてもよい。

以上の実施例によれば、急激な余剰電力の発生に対応するための熱電負荷等の設備が必要ないため、発電システムのコスト及びサイズを抑えることができる。また、圧縮機１の運動エネルギーの吸収・放出によりガスタービンの機械的遅れを補償し、発電要求に追従し、系統の周波数変動を抑制することができる。また、系統に対して定められた変動の許容量に基づいて、ＭＷＤとＩＭＷＤを決定することにより、系統の規制の範囲で出力することができる。また、２軸式ガスタービン発電装置の出力遅れを考慮してＩＭＷＤを決定することができる。また、Ｍ／Ｇ６による圧縮機１のアシストにより大気温度や負荷帯に応じたガスタービンの最適運転を行うことができる。

本発明の表現のための用語について説明する。高圧タービン軸として、高圧タービン軸１２ａ等が用いられてもよい。圧縮機として、圧縮機１等が用いられてもよい。燃焼器として、燃焼器２０等が用いられてもよい。高圧タービンとして、高圧タービン２ａ等が用いられてもよい。低圧タービン軸として、低圧タービン軸１２ｂ等が用いられてもよい。低圧タービンとして、低圧タービン２ｂ等が用いられてもよい。第一発電機として、発電機５等が用いられてもよい。多軸ガスタービンとして、ガスジェネレータ１５及びパワータービン１６等が用いられてもよい。第二発電機として、Ｍ／Ｇ６等が用いられてもよい。周波数変換器として、周波数変換器１０等が用いられてもよい。変圧器として、変圧器５０等が用いられてもよい。制御部として、ＧＴ制御装置７ａ及び制御装置２００等が用いられてもよい。出力目標値として、ガスタービン出力目標値が用いられてもよい。第一発電機出力指令値として、発電機出力指令値（ＭＷＤ）等が用いられてもよい。第二発電機出力指令値として、副発電機出力指令値（ＩＭＷＤ）等が用いられてもよい。入口案内翼として、ＩＧＶ９等が用いられてもよい。表示部として、支援ツール９１０及び画像表示装置９５０等が用いられてもよい。再生可能エネルギー発電機として、風力発電装置３０又は太陽光発電装置１０００等が用いられてもよい。合計出力目標値として、システム出力目標値等が用いられてもよい。排熱回収ボイラとして、排熱回収ボイラ７２０等が用いられてもよい。蒸気タービンとして、蒸気タービン７３０等が用いられてもよい。蒸気タービン発電機として、発電機７４０等が用いられてもよい。コンバインドサイクルプラントとして、コンバインドサイクルプラント７００等が用いられてもよい。

本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、その趣旨から逸脱しない範囲で、他の様々な形に変更することができる。

１…圧縮機 ２…タービン ２ａ…高圧タービン ２ｂ…低圧タービン ５…発電機 ７ａ…ＧＴ制御装置 ８…燃料流量制御弁 ９…ＩＧＶ １０…周波数変換器 １２ａ…高圧タービン軸 １２ｂ…低圧タービン軸 １４…排気 １５…ガスジェネレータ １６…パワータービン ２０…燃焼器 ２６ａ…高圧タービン回転数検出器 ２６ｂ…低圧タービン回転数検出器 ３０…風力発電装置 ３１…風力発電機 ５０…変圧器 １００…２軸式ガスタービン発電装置 ２００…制御装置 ３００…関連情報データベース ４００…モデル計算部 ４０１…モデル計算部 ５００…制御部 ６００…運転情報データベース ７００…コンバインドサイクルプラント ７１０…蒸気タービン発電装置 ７２０…排熱回収ボイラ ７３０…蒸気タービン ７４０…発電機 ７５０…復水器 ７６０…給水ポンプ ７７０…スタック １０００…太陽光発電装置 １１００…太陽光パネル

Claims (14)

1. 発電システムであって、
   高圧タービン軸と、
   前記高圧タービン軸の回転に応じて圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮空気及び燃料を混合して燃焼させることにより燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスを受けて回転し前記高圧タービン軸を駆動する高圧タービンと、
   低圧タービン軸と、
   前記高圧タービンから排出されるガスを受けて回転し前記低圧タービン軸を駆動する低圧タービンと、
   電力系統に接続され、前記低圧タービン軸の回転を用いて発電し、発電した電力を前記電力系統へ出力する第一発電機と、
   を含む多軸ガスタービンと、
   電力の入出力に応じて前記高圧タービン軸の加減速を行う第二発電機と、
   前記第二発電機の端子に接続される周波数変換器と、
   前記周波数変換器及び前記第一発電機の端子の間に接続される変圧器と、
   前記発電システムの出力の時系列の目標値である出力目標値を記憶し、前記多軸ガスタービンの動特性を模擬する動特性モデルを用いて、前記第一発電機の出力を前記出力目標値に合わせるように前記燃焼器を制御した場合の前記第一発電機の出力の予測値を算出し、前記出力目標値及び前記第一発電機の出力の予測値に基づいて、前記第一発電機から前記電力系統への出力の指令値である第一発電機出力指令値と、前記第二発電機から前記電力系統への出力の指令値である第二発電機出力指令値とを算出し、前記第一発電機出力指令値に基づいて前記燃焼器を制御し、前記第二発電機出力指令値に基づいて前記周波数変換器を制御する制御部と、
   を備え、
   前記第一発電機出力指令値が前記出力目標値より小さい場合、前記周波数変換器は、前記制御部からの指示に基づいて前記第二発電機の出力を周波数変換して前記電力系統へ出力することにより、前記第二発電機は、前記高圧タービン軸を減速させて得られる電力を前記周波数変換器へ出力し、前記変圧器は、前記周波数変換器の出力を昇圧して前記電力系統へ出力し、
   前記第一発電機出力指令値が前記出力目標値より大きい場合、前記周波数変換器は、前記制御部からの指示に基づいて前記第一発電機の出力の一部を周波数変換して前記第二発電機へ出力することにより、前記変圧器は、前記第一発電機の出力の一部を降圧して前記周波数変換器へ出力し、前記第二発電機は、前記周波数変換器の出力を用いて前記高圧タービン軸を加速させる、
   発電システム。
2. 前記制御部は、前記周波数変換器の動作を制限する条件である周波数変換器制限条件を記憶し、前記発電システムの状態が前記周波数変換器制限条件を満たすと判定した場合、前記周波数変換器の動作を制限する、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記周波数変換器制限条件は、前記変圧器の冷却水温度の限界値である冷却水温度限界値を含み、
   前記制御部は、前記冷却水温度を取得し、前記冷却水温度が前記冷却水温度限界値を上回ると判定された場合、前記周波数変換器の動作を停止させる、
   請求項２に記載の発電システム。
4. 前記周波数変換器制限条件は、前記第二発電機出力指令値の範囲である指令値範囲を含み、
   前記制御部は、前記第二発電機出力指令値が前記指令値範囲外であると判定された場合、前記第二発電機出力指令値を前記指令値範囲内の値に変更する、
   請求項３に記載の発電システム。
5. 前記出力目標値が増加した場合、前記制御部は、前記燃焼器を制御することにより、前記燃焼器の燃料流量を増加させると共に、前記周波数変換器を制御することにより、前記第二発電機を用いて前記高圧タービン軸を減速させ、
   前記出力目標値が減少した場合、前記制御部は、前記燃焼器を制御することにより、前記燃料流量を減少させると共に、前記周波数変換器を制御することにより、前記第二発電機を用いて前記高圧タービン軸を加速させる、
   請求項４に記載の発電システム。
6. 前記圧縮機への空気の入口に設けられた入口案内翼を更に備え、
   前記制御部は、前記高圧タービン軸の回転数に応じて前記入口案内翼の開度を制御することにより、前記圧縮空気の流量を略一定に保つ、
   請求項５に記載の発電システム。
7. 前記高圧タービン軸の回転数が減少すると、前記圧縮機の効率が向上し、
   前記高圧タービン軸の回転数が増加すると、前記圧縮機の効率が低下する、
   請求項６に記載の発電システム。
8. 前記制御部は、前記第一発電機の出力の予測値を前記第一発電機出力指令値として算出し、前記出力目標値から前記第一発電機出力指令値を減ずることにより前記第二発電機出力指令値を算出する、
   請求項７に記載の発電システム。
9. 前記出力目標値と、前記発電システムから前記電力系統への出力の計測値である出力計測値と、前記出力目標値及び前記出力計測値の比較結果と、前記冷却水温度との、少なくとも何れかを表示する表示部を更に備える、
   請求項８に記載の発電システム。
10. 前記制御部は、前記電力系統における電力の需要と、他の発電機に関する情報とに基づいて、前記電力系統の電力需給変動の予測値を算出し、前記電力需給変動の予測値に基づいて、前記出力目標値を算出する、
    請求項９に記載の発電システム。
11. 再生可能エネルギーを用いて発電し前記電力系統へ出力する再生可能エネルギー発電機を更に備え、
    前記制御部は、前記再生可能エネルギー発電機及び前記発電システムの出力の合計の目標値である合計出力目標値を記憶し、前記再生可能エネルギー発電機の出力の予測値を算出し、前記合計出力目標値から前記再生可能エネルギー発電機の出力の予測値を減ずることにより、前記出力目標値を算出する、
    請求項１０に記載の発電システム。
12. 前記ガスタービンの排熱を用いて水を加熱して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
    前記蒸気を受けて回転する蒸気タービンと、
    前記蒸気タービンの回転を用いて発電し、発電した電力を前記電力系統へ出力する蒸気タービン発電機と、
    を更に備え、
    前記動特性モデルは、前記ガスタービンと前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンと前記蒸気タービン発電機とを含むコンバインドサイクルプラントの動特性を示す、
    請求項９に記載の発電システム。
13. 前記制御部は、大気温度を取得し、前記大気温度が予め定められた大気温度閾値より高い場合、前記周波数変換器を制御することにより前記第二発電機に前記高圧タービン軸を加速させ、前記圧縮空気の流量を増加させることにより、前記第一発電機の出力を増加させる、
    請求項９に記載の発電システム。
14. 高圧タービン軸と、前記高圧タービン軸の回転に応じて圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気及び燃料を混合して燃焼させることにより燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスを受けて回転し前記高圧タービン軸を駆動する高圧タービンと、低圧タービン軸と、前記高圧タービンから排出されるガスを受けて回転し前記低圧タービン軸を駆動する低圧タービンと、電力系統に接続され、前記低圧タービン軸の回転を用いて発電し、発電した電力を前記電力系統へ出力する第一発電機と、を含む多軸ガスタービンと、電力の入出力に応じて前記高圧タービン軸の加減速を行う第二発電機と、前記第二発電機の端子に接続される周波数変換器と、前記周波数変換器及び前記第一発電機の端子の間に接続される変圧器と、を用いる発電方法であって、
    前記発電システムの出力の時系列の目標値である出力目標値を記憶し、
    前記多軸ガスタービンの動特性を模擬する動特性モデルを用いて、前記第一発電機の出力を前記出力目標値に合わせるように前記燃焼器を制御した場合の前記第一発電機の出力の予測値を算出し、
    前記出力目標値及び前記第一発電機の出力の予測値に基づいて、前記第一発電機から前記電力系統への出力の指令値である第一発電機出力指令値と、前記第二発電機から前記電力系統への出力の指令値である第二発電機出力指令値とを算出し、
    前記第一発電機出力指令値に基づいて前記燃焼器を制御し、前記第二発電機出力指令値に基づいて前記周波数変換器を制御し、
    前記第一発電機出力指令値が前記出力目標値より小さい場合、前記周波数変換器により、前記制御部からの指示に基づいて前記第二発電機の出力を周波数変換して前記電力系統へ出力することにより、前記第二発電機により、前記高圧タービン軸を減速させて得られる電力を前記周波数変換器へ出力し、前記変圧器により、前記周波数変換器の出力を昇圧して前記電力系統へ出力し、
    前記第一発電機出力指令値が前記出力目標値より大きい場合、前記周波数変換器により、前記制御部からの指示に基づいて前記第一発電機の出力の一部を周波数変換して前記第二発電機へ出力することにより、前記変圧器により、前記第一発電機の出力の一部を降圧して前記周波数変換器へ出力し、前記第二発電機により、前記周波数変換器の出力を用いて前記高圧タービン軸を加速させる、
    ことを備える発電方法。
    

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