KR20130054992A - 가스 터빈 제어 장치 및 발전 시스템 - Google Patents

가스 터빈 제어 장치 및 발전 시스템 Download PDF

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야스오 후지시마
다카시 소노다
고이치로 히라토
야스츠구 다카타
후미노리 후지이
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

시운전시나 부하 병입 직후 등과 같은 정격 부하보다 낮은 부하 영역에서, 발전기 출력에 발생하는 헌팅을 억제하는 것. 가스 터빈과, 적어도 가스 터빈의 회전 동력이 전달되어 발전되는 발전기를 구비하는 발전 설비에 이용되고, 요구 부하에 근거하여 결정되는 발전기 출력 설정값에 발전기 출력을 추종시키기 위한 제 1 연료 제어 지령을 구하는 제 1 제어부를 구비하는 가스 터빈 제어 장치로서, 제 1 제어부는 피드백 제어부(60)를 갖고, 피드백 제어부(60)는, 발전기 출력 설정값에 대한 발전기 출력의 편차를 산출하는 감산부(62)와, 감산부(62)보다 제어의 후단에 마련된 PI 제어부(64)와, 발전기 또는 해당 발전기를 포함하는 계통의 진폭 특성의 피크를 억제하는 피크 억제부(66)를 구비하는 가스 터빈 제어 장치를 제공한다.

Description

가스 터빈 제어 장치 및 발전 시스템{GAS TURBINE CONTROL DEVICE AND POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 가스 터빈 제어 장치 및 발전 시스템에 관한 것이다.
가스 터빈 발전 설비에서는, 일반적으로, 발전기 출력이 전력 계통의 요구 부하에 추종하도록 가스 터빈으로의 공급 연료량을 제어하고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 전력 계통의 요구 부하에 근거하여 설정되는 발전기 출력 설정값(LDSET)에 대한 발전기 출력의 편차를 PI 제어기에 입력하고, 이 편차에 근거해서 비례 적분 연산을 행하는 것에 의해, 연료 제어 밸브의 개방도를 제어하여 발전기 출력을 조정해서, 발전기 출력을 요구 부하에 추종시키는 것이 개시되고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2010-121598호 공보
그런데, 가스 터빈 발전 설비에 있어서, 시운전시 혹은 부하 병입 직후의 저(低)부하시에서, 발전기 출력에 헌팅(hunting)이 발생하는 일이 있다. 그러나, 종래는, 이러한 헌팅의 주원인이 불명했기 때문에, 발전기 출력의 헌팅을 해소시키기 위한 유효한 수법을 확립할 수 없었다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 시운전시나 부하 병입 직후 등과 같은 정격 부하보다 낮은 부하 영역에서, 발전기 출력에 발생하는 헌팅을 억제할 수 있는 가스 터빈 제어 장치 및 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 제 1 형태는, 가스 터빈과, 적어도 가스 터빈의 회전 동력이 전달되어 발전되는 발전기를 구비하는 발전 설비에 이용되고, 요구 부하에 근거하여 결정되는 발전기 출력 설정값에 발전기 출력을 추종시키기 위한 제 1 연료 제어 지령을 구하는 제 1 제어 수단을 구비하는 가스 터빈 제어 장치로서, 상기 제 1 제어 수단은 피드백 제어 수단을 갖고, 상기 피드백 제어 수단은, 상기 발전기 출력 설정값에 대한 발전기 출력의 편차를 산출하는 감산 수단과, 감산 수단보다 제어의 후단에 마련된 비례 적분 연산 수단과, 상기 발전기 또는 해당 발전기를 포함하는 계통의 진폭 특성의 피크를 억제하는 피크 억제 수단을 구비하는 가스 터빈 제어 장치를 제공한다(제 1 형태).
주로 저부하시에 발생하는 발전기 출력(가스 터빈 출력)의 헌팅의 원인을 구명하기 위해, 발전기 및 발전기를 포함하는 발전 계통에 대해 주파수 특성 등을 해석하였는 바, 도 12에 나타내는 바와 같이, 진폭 특성에서의 1[㎐] 근방에서 공진 피크가 나타나고 있는 것을 알 수 있으며, 발전기의 회전축에 여기되는 고유 진동수의 진동이 발전기 출력의 헌팅의 원인이라는 새로운 지견을 얻었다. 따라서, 이 공진 피크를 억제할 수 있으면, 발전기 출력의 헌팅을 억제 혹은 방지할 수 있다. 본 발명의 제 1 형태에 따르면, 요구 부하에 근거하여 결정되는 발전기 출력 설정값에 발전기 출력을 추종시키기 위한 제 1 연료 제어 지령을 구하는 제 1 제어 수단에서, 제 1 제어 수단이 가지는 피드백 제어 수단에, 발전기 또는 발전기를 포함한 계통의 진폭 특성의 피크를 억제하는 피크 억제 수단을 마련하는 것으로 하였다. 이 때문에, 발전기 출력의 헌팅을 억제하여, 제어의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 형태에 있어서, 「가스 터빈 출력」이란, 발전기 출력 중, 가스 터빈의 회전 동력만이 전달되어 발전한 발전 전력을 말한다. 즉, 가스 터빈과 증기 터빈을 구비하는 가스 터빈 컴바인드 사이클 플랜트(이하 「GTCC 플랜트」라고 함)에서는, 발전기 출력은 가스 터빈 출력과 증기 터빈 출력의 합계이지만, 이 경우의 「가스 터빈 출력」은 발전기 출력으로부터 증기 터빈 출력을 뺀 값을 의미한다.
또한, 도 12에 나타낸 진폭 특성은, 예를 들면, 후술하는 도 5에 나타낸 GTCC의 모델로부터 구한 것이며, 일례로서 발전기 출력 설정값을 각각 정격의 3[%], 50[%], 100[%]로 했을 때의 진폭 특성이 나타내어져 있다.
본 발명의 제 1 형태에 있어서, 상기 피크 억제 수단은, 상기 감산 수단과 상기 비례 적분 연산 수단 사이에 마련되고, 입력 신호에 대해 이득을 승산하는 승산 수단과, 상기 가스 터빈 출력에 따라 상기 승산 수단의 이득을 조정하는 제 1 이득 조정 수단을 구비하고, 상기 제 1 이득 조정 수단은 정격 부하보다 낮은 부분 부하시에 인가하는 이득을, 정격 부하시에 인가하는 이득보다 작게 설정하는 것으로 하여도 좋다(제 2 형태).
이러한 구성에 따르면, 예를 들면, 감산 수단에서 발전기 출력 설정값에 대한 발전기 출력의 편차가 구해지고, 이 편차에 대해 승산 수단에서 소정의 이득을 곱하고, 이득이 곱해진 후의 편차가 비례 적분 연산 수단에 입력되게 된다. 이 경우에, 승산 수단에서 곱해지는 이득은, 제 1 이득 조정 수단에 의해, 정격 부하보다 낮은 부분 부하시에 인가되는 이득이, 정격 부하시에 인가되는 이득보다 작게 조정된다. 여기서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈 출력이 작은 영역(즉, 부분 부하시)에서는, 연료 유량에 대한 가스 터빈 출력의 감도가 높고, 이 출력 영역에서는 발전기가 진동을 여기하기 쉽다. 따라서, 부분 부하시의 이득을 정격 부하시의 이득보다 작게 설정함으로써, 발전기의 진동 여기를 방지할 수 있어, 발전기 출력의 헌팅을 억제할 수 있다.
본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기 제 1 이득 조정 수단은 가스 터빈 출력의 증가에 맞추어 상기 이득을 증가시키는 것이 바람직하다(제 3 형태).
도 4에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈 출력이 증가할수록, 연료 유량에 대한 감도가 완화되어, 제어가 안정된다. 따라서, 가스 터빈 출력의 증가에 따라 이득을 증가시킴으로써, 제어의 안정화를 도모함과 아울러, 요구 부하로부터 결정되는 발전기 출력 설정값에의 발전기 출력의 추종성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 형태 또는 제 3 형태에 있어서, 상기 제 1 제어 수단은, 상기 발전기 출력에 헌팅이 발생하고 있는지 여부를 판정하는 헌팅 판정 수단과, 상기 헌팅 판정 수단에 의해서 헌팅이 발생하고 있다고 판정된 경우에, 상기 제 1 이득 조정 수단에 의해서 설정된 이득을 감소시키는 제 2 이득 조정 수단을 더 구비하는 것으로 하여도 좋다(제 4 형태).
이러한 구성에 따르면, 헌팅 판정 수단에 의해서 헌팅이 발생하고 있는지 여부가 판정되고, 헌팅이 발생하고 있는 경우에는, 제 2 이득 조정 수단이 제 1 이득 조정 수단에 의해 설정된 이득을 감소시키기 때문에, 발전기 출력의 헌팅을 확실히 해소할 수 있다.
본 발명의 제 4 형태에 있어서, 상기 제 2 이득 조정 수단은, 상기 헌팅 판정 수단에 의해서 헌팅이 발생하고 있지 않다고 판정된 경우에, 상기 제 1 이득 조정 수단에 의해서 설정된 이득을 증가시키는 것으로 하여도 좋다(제 5 형태).
가스 터빈 출력에 헌팅이 발생하고 있지 않은 경우에는, 제 1 이득 조정 수단에 의해서 설정된 이득을 증가시키는 방향으로 제 2 이득 조정 수단이 조정하기 때문에, 추종성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 형태 내지 제 5 형태 중 어느 한 형태에 있어서, 상기 피크 억제 수단은, 상기 진폭 특성에서 피크가 발생하고 있는 소정의 주파수 이상의 신호를 차단하는 로우패스 필터를 더 구비하고, 필터 처리 후의 발전기 출력을 상기 피드백 제어 수단의 상기 감산 수단에 출력하는 것으로 하여도 좋다(제 6 형태).
예를 들면, 도 12에 나타낸 진폭 특성으로부터, 1[㎐] 근방에서 피크가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 로우패스 필터에 의해, 적어도 피크가 발생하고 있는 주파수 이상의 고주파 성분이 차단된 발전기 출력을 입력 신호로서 감산 수단에 입력시키는 것에 의해, 공진 피크를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 가스 터빈의 출력 제어에서 필요한 주파수 대역은 약 0.2[㎐] 이하이고, 가스 터빈의 출력 제어에 필요로 되지 않는 주파수 성분을 차단하기 때문에, 출력 제어에 영향을 주는 일도 없다.
또한, 본 발명의 제 1 형태에 있어서, 상기 피크 억제 수단은 상기 가스 터빈 출력이 입력 신호로서 입력되고, 해당 입력 신호에 포함되는, 상기 진폭 특성에서 피크가 발생하고 있는 소정의 주파수 이상의 신호를 차단하는 로우패스 필터를 갖고, 상기 감산 수단에는, 상기 로우패스 필터를 경유한 발전기 출력이 입력되는 것으로 하여도 좋다(제 7 형태).
예를 들면, 도 12에 나타낸 진폭 특성으로부터, 1[㎐] 근방에서 피크가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 로우패스 필터에 의해, 적어도 피크가 발생하고 있는 주파수 이상의 고주파 성분이 차단된 발전기 출력을 입력 신호로서 감산 수단에 입력시키는 것에 의해, 공진 피크를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 가스 터빈의 출력 제어에서 필요한 주파수 대역은 약 0.2[㎐] 이하이고, 가스 터빈의 출력 제어에 필요로 되지 않는 주파수 성분을 차단하기 때문에, 출력 제어에 영향을 주는 일도 없다.
본 발명의 제 1 형태에 있어서, 상기 피크 억제 수단은, 상기 발전기의 역(逆)특성 모델의 전달 함수가 설정된 연산 수단을 갖고, 해당 연산 수단을 경유한 발전기 출력이 상기 감산 수단에 입력되는 것으로 하여도 좋다(제 8 형태).
이러한 구성에 따르면, 연산 수단을 경유하는 것에 의해, 발전기 고유의 성분이 제거되고, 기계 출력의 성분만이 남게 된다. 그리고, 발전기 고유의 정보가 제거된 기계 출력의 추정 신호가 입력 신호로서 피드백 제어 수단의 감산 수단에 입력된다. 이와 같이, 헌팅의 원인으로 되는 발전기의 특성을 제거하는 것에 의해, 도 12에 나타낸 진폭 특성의 피크를 없앨 수 있어, 가스 터빈 출력의 헌팅을 억제할 수 있다.
본 발명의 제 9 형태는 가스 터빈과, 상기 어느 하나의 형태에 기재된 가스 터빈 제어 장치를 구비하는 발전 시스템을 제공한다(제 9 형태).
본 발명에 의하면, 정격 부하보다 낮은 부하에서 발생하는 발전기 출력의 헌팅을 억제할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 가스 터빈 컴바인드 사이클 플랜트의 전체 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 제 1 제어부의 기능 블럭도를 나타낸 도면이다.
도 3은 가스 터빈 출력과 이득이 관계지어진 제 1 정보의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 연료 유량과 가스 터빈 출력의 특성을 나타내는 특성도이다.
도 5는 GTCC를 4개의 부위로 나눈 선형화 모델을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에서, 피드백 제어부가 피크 억제부를 갖지 않는 경우와 가지는 경우에서의 발전기 출력 및 가스 터빈과 증기 터빈의 기계 출력의 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치가 구비하는 제 1 제어부의 기능 블럭도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 제 1 함수부가 구비하는 편차의 절대값과 이득이 관련지어진 테이블을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치가 구비하는 제 1 제어부의 기능 블럭도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치가 구비하는 제 1 제어부의 기능 블럭도이다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치가 구비하는 제 1 제어부의 기능 블럭도이다.
도 12는 발전기를 포함하는 계통의 진폭 특성의 일례를 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명에 따른 가스 터빈의 제어 장치 및 발전 시스템의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시 형태)
이하, 본 발명의 제 1 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 제 1 실시 형태에 따른 GTCC 플랜트의 전체 구성도이다. GTCC 플랜트는 가스 터빈(12), 증기 터빈(14), 및 발전기(16)를 구비한다.
가스 터빈(12)은 압축기(20), 연소기(22) 및 터빈(24)을 구비한다.
압축기(20)는, 회전축(26)에 의해 구동됨으로써, 공기 취입구로부터 취입된 공기를 압축하여 압축 공기를 생성한다. 연소기(22)는 압축기(20)로부터 차실(車室)(28)에 도입된 압축 공기에 연료를 분사하여 고온·고압의 연소 가스를 발생시킨다. 터빈(24)은 연소기(22)에서 발생한 연소 가스에 의해서 회전 구동된다.
차실(28)과 연소기(22) 사이에는 바이패스관(30)이 마련되어 있고, 바이패스관(30)은, 터빈(24)의 출력 변동에 의해 연소기(22) 내의 공기가 부족한 상태로 된 경우에, 연소기 바이패스 밸브(32)가 열리면 차실(28) 내의 공기를 연소기(22) 내로 도입하는 유로로 된다. 또한, 압축기(20)와 터빈(24) 사이에는, 압축기(20)로부터 터빈(24)으로 냉각용 공기를 도입시키기 위한 추기관(抽氣管)(34)이 마련되어 있다.
증기 터빈(14)은, 터빈(24)의 배기 가스로부터 열 회수하여 증기를 발생시키고, 해당 증기에 의해서 회전 구동된다. 터빈(24), 증기 터빈(14), 압축기(20), 및 발전기(16)는 회전축(26)에 의해서 연결되고, 터빈(24) 및 증기 터빈(14)에 생기는 회전 동력은 회전축(26)에 의해서 압축기(20) 및 발전기(16)에 전달된다. 그리고, 발전기(16)는 터빈(24) 및 증기 터빈(14)의 회전 동력에 의해서 발전한다.
또한, 연소기(22)에는, 연료를 공급하는 연료 공급 배관(36)이 접속되어 있다. 연료 공급 배관(36)에는, 압력 조정 밸브(40)로 유량 조정 밸브(42) 전후의 차압(差押)이 조정되고, 유량 조정 밸브(42)에서 유량이 조정된 연료가 공급된다. 연소기(22)는 연료 공급 배관(36)으로부터 공급된 연료와 압축 공기를 혼합시켜 연소시킨다.
가스 터빈 제어 장치(44)는 유량 제어부(46)와 압력 제어부(48)를 구비하고 있다. 유량 제어부(46)는, 가스 터빈(12)의 운전 상태 및 온도 상태에 관한 상태량을 입력 신호로서 취득하고, 이들 입력 신호에 근거하여 연소기(22)에 공급하는 연료 유량을 제어하기 위한 연료 유량 지령 CSO를 연산한다. 운전 상태에 관한 상태량으로서는, 예를 들면, 가스 터빈(12)의 출력, 회전수를, 온도 상태에 관한 상태량으로서는, 예를 들면 배기 가스 온도를 각각 일례로서 들 수 있다. 구체적으로는, 유량 제어부(46)는, 요구 부하에 근거하여 결정되는 발전기 출력 설정값에 발전기 출력을 추종시키기 위한 제 1 연료 제어 지령을 구하는 제 1 제어부(50) 외에, 가스 터빈(12)의 회전수를 소정의 회전수 지령에 추종시키기 위한 제 2 연료 제어 지령을 구하는 제 2 제어부(52), 배기 가스 온도가 소정의 배기 가스 온도 상한값을 초과하지 않는 제 3 연료 제어 지령을 구하는 제 3 제어부(54) 등을 구비하고 있다.
그리고, 이들 각 제어부(50, 52, 54)에 대해 구해진 제 1 연료 제어 지령 내지 제 3 연료 제어 지령을 참조하여 최종적인 연료 제어 지령 CSO가 결정된다. 그리고, 이 연료 제어 지령 CSO에 근거하여 유량 조정 밸브(42)의 밸브 개방도가 제어된다.
압력 제어부(48)는 연소기(22)에 공급되는 연료 압력을 목표 연료 압력에 일치시키기 위한 압력 조정 밸브의 제어량을 구한다.
도 2는 상술한 가스 터빈 제어 장치(44)에서의 유량 제어부(46)의 제 1 제어부(50)의 기능 블럭도를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제 1 제어부(50)는 요구 부하에 근거하여 결정되는 발전기 출력 설정값에 발전기 출력을 추종시키기 위한 제 1 연료 제어 지령을 구하는 피드백 제어부(60)를 구비하고 있다.
피드백 제어부(60)는 감산부(62), PI 제어부(64), 부분 부하 운전시 등에 발생하는 발전기 출력의 헌팅을 억제하기 위한 피크 억제부(66)가 내장되어 있다. 피크 억제부(66)는, 발전기(16) 또는 해당 발전기(16)를 포함하는 계통의 진폭 특성의 피크를 억제하는 기능을 갖고 있으며, 구체적으로는, 승산부(68)와, 승산부(68)에서 이용하는 이득을 조절하는 제 1 이득 조정부(70)를 구비하고 있다.
도 2에 있어서, 감산부(62)는 발전기 출력 설정값에 대한 발전기 출력의 편차를 산출한다. 여기서, 「가스 터빈 출력」이란, 터빈(24)에 의한 회전 동력이 발전기(16)에 전달되는 것에 의해 발전된 발전 전력을 말하며, 예를 들면, 발전기 출력으로부터 증기 터빈 출력을 뺀 값을 이용한다. 감산부(62)에서 산출된 편차는 피크 억제부(66)의 승산부(68)에 입력된다. 승산부(68)는, 제 1 이득 조정부(70)로부터 인가된 소정의 이득을 감산부(62)로부터의 편차에 곱하고, 이 산출 결과를 PI 제어부(64)에 출력한다. PI 제어부(64)는, 승산부(68)로부터의 출력 결과에 대해 비례 적분 연산을 행하는 것에 의해 제 1 연료 제어 지령을 구하고, 구한 제 1 연료 제어 지령을 출력한다. 이 제 1 연료 제어 지령은, 상술한 바와 같이, 후속하는 처리에 전달되고, 이 제 1 연료 제어 지령이 참조되어 유량 조정 밸브(42)(도 1 참조)의 밸브 개방도 조정량을 결정할 때의 하나의 요소로서 이용된다.
제 1 이득 조정부(70)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈 출력과 이득이 관계지어진 제 1 정보를 갖고 있고, 이 제 1 정보로부터 가스 터빈 출력에 따른 이득을 취득한다. 이득은 부분 부하시에 인가하는 이득이 정격 부하시에 인가하는 이득보다 작게 설정되어 있다. 부분 부하는, 정격 부하보다 낮은 부하를 말하며, 구체적으로는, 정격 부하의 50% 이하의 부하 영역을 말한다. 또한, 보다 바람직하게는, 가스 터빈 출력의 증가에 맞추어, 이득을 증가시키면 좋다.
여기서, 도 4에 연료 유량과 가스 터빈 출력의 특성을 나타낸다. 도 4에 있어서, 가로축은 연료 유량, 세로축은 가스 터빈 출력이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 연료 유량이 작을 때는, 가스 터빈 출력의 경사는 크고, 연료 유량이 커짐에 따라, 가스 터빈 출력의 기울기가 작아져 있다. 따라서, 도 4의 그래프로부터 연료 유량이 작은 영역일수록 가스 터빈 출력의 감도가 높고, 가스 터빈 출력(부하)이 변동하기 쉬운 것을 알 수 있다. 따라서, 연료 유량에 대한 가스 터빈 출력의 감도가 높은 영역에서는 정격시보다 이득을 낮게 설정하는 것에 의해, 제어의 안정성을 높이고, 부하의 헌팅을 억제할 수 있다. 또한, 정격 부하 또는 정격 부하에 가까운 영역에서는 출력이 안정되어 있으므로, 이득을 높게 설정하여, 추종성의 향상을 도모하고 있다.
또한, 제 1 이득 조정부(70)에서의 이득은 발전기(16)를 포함하는 계통의 선형 해석에 의해 적절한 값으로 설정되어 있다. 이하, 이득의 설정 방법에 대해 설명한다.
우선, 도 5에 나타내는 바와 같이 GTCC를 가스 터빈 제어 장치, 연료 계통, 가스 터빈 및 증기 터빈, 발전기의 4개의 부위로 분할하고, 각각의 선형화 모델을 얻는다. 이하에, 각 부위의 선형화 모델의 전달 함수의 일례를 나타낸다.
Figure pct00001
상기 (1)식의 가스 터빈 제어 장치의 모델에서, a는 PI 제어부에서의 이득, b는 승산부의 이득, K는 PI 제어부의 이득, T는 PI 제어부의 적분 시정수, MWe는 발전기 출력, LDSET는 발전기 출력 설정값이다. (2)식의 연료 계통의 모델에서, kfp는 연료 유량 지령 CSO로부터 실연료 유량까지의 이득, Tfp는 연료 계통의 시정수, Lfp는 연료 계통의 낭비 시간이다. (3)식의 가스 터빈 및 증기 터빈의 모델에서, kgs는 연료 유량으로부터 출력까지의 이득, ζgs는 가스 터빈 및 증기 터빈의 감쇠 정수,ωgs는 가스 터빈 및 증기 터빈의 각주파수이다. (4)식의 발전기의 모델에서, kgen은 기계 출력으로부터 발전기 출력까지의 이득, ζgen은 발전기의 감쇠 정수,ωgen은 발전기의 각주파수이다.
계속해서, 상기 전달 함수를 이용하여 일순 전달 함수를 구하고, 보우드 선도를 작성하고, 진폭 특성, 위상 특성을 얻는다. 그리고, (1)식에서의 가스 터빈 출력 MWe, 이득 b의 값을 스윙하면서 복수의 진폭 특성 및 위상 특성(주파수 응답 특성)을 얻고, 이들의 결과로부터 각 가스 터빈 출력에서의 피크 이득[㏈], 이득 여유[㏈], 위상 여유[deg]가 각각 설정되어 있는 소정의 조건을 모두 만족하는 이득 b를 최적 이득으로서 추출한다. 그리고, 추출한 최적 이득 b와 가스 터빈 출력을 관련짓는 것에 의해 도 3에 나타낸 제 1 정보를 작성한다. 도 12에 나타낸 진폭 특성도 상술한 방법으로 얻은 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에 따르면, 시동시나 부하 병입시 등의 가스 터빈 출력이 낮을 때에는, 정격 부하시와 비교하여 작은 이득을 발전기 출력 설정값에 대한 발전기 출력의 편차를 곱하기 때문에, 발전기 출력의 헌팅을 억제하여, 안정된 운전을 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 가스 터빈 출력이 상승함에 따라 이득을 높게 하는 것에 의해, 제어 안정성을 유지하면서, 추종성의 향상을 도모할 수 있다.
도 6은 피드백 제어부(60)가 피크 억제부(66)를 갖지 않는 경우와 갖는 경우에서의 발전기 출력 및 기계 출력의 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 피크 억제부를 구비하고 있지 않는 경우에는, 헌팅이 지속되고 있지만, 피크 억제부를 구비하는 경우에는, 헌팅이 서서히 감쇠하고, 소정 시간 경과 후에는 안정된 출력이 얻어지는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에 따르면, 발전기 출력의 헌팅을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
(제 2 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시 형태에 대해 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치는 상기 제 1 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에서의 제 1 제어부가 헌팅 판정부(72) 및 제 2 이득 조정부(74)를 더 구비하고 있다. 헌팅 판정부(72)는, 발전기 출력에 헌팅이 발생하고 있는지 여부를 판정하는 수단이며, 예를 들면, 발전기 출력 추정부(76), 감산부(78), 및 비교부(80)를 구비하고 있다. 발전기 출력 추정부(76)는, 가스 터빈 및 증기 터빈의 움직임 특성 모델을 갖고 있으며, 입력 신호로서 입력되는 연료 유량 지령 CSO(도 1에 나타낸 유량 제어부(46)로부터 출력되는 연료 유량 지령) 등으로부터 발전기 출력을 추정한다. 감산부(78)는 발전기 출력 추정부(76)로부터 출력된 발전기 출력 추정값에 대한 발전기 출력의 편차 ΔMW를 산출한다. 비교부(80)는, 감산부(78)에서 산출된 편차 ΔMW가 미리 설정되어 있는 소정의 임계값 이상인지 여부를 판정하고, 임계값 이상인 경우에 Hi 신호를, 임계값 미만인 경우에 Lo 신호를 출력한다.
제 2 이득 조정부(74)는 제 1 함수부(82), 제 2 함수부(84), 및 이득 전환부(86)를 주된 구성으로서 구비하고 있다. 제 1 함수부(82)는 헌팅 판정부(72)의 감산부(78)의 출력인 편차 ΔMW의 절대값이 입력되고, 해당 절대값 ｜ΔMW｜에 따른 이득을 출력한다. 예를 들면, 제 1 함수부(82)에는, 도 8에 나타내는 바와 같이 편차의 절대값 ｜ΔMW｜이 소정의 값 c 이하를 불감대로 하고, c 이상 d 미만의 영역에서, 편차의 절대값이 클수록 음의 이득을 증가시키고, d 이상의 영역에서 음의 이득을 일정하게 하는 함수가 설정되어 있다. 한편, 제 2 함수부(84)는 미리 설정되어 있는 소정의 이득 +ε을 출력한다. 이득 전환부(86)는, 헌팅 판정부(72)에 의해서 헌팅이 발생하고 있다고 판정된 경우, 즉, 비교부(80)로부터 Hi 신호가 입력된 경우에 제 1 함수부(82)로부터 출력된 이득을 선택하여 출력하고, 헌팅이 발생하고 있지 않다고 판정된 경우, 즉, 비교부(80)로부터 Lo 신호가 입력된 경우에 제 2 함수부(84)로부터 출력된 이득을 선택하여 출력한다.
이득 전환부(86)로부터 출력된 이득은 상하한값을 설정한 적분기를 경유하여 피드백 제어부(60)에 마련된 승산부(68)에 출력된다. 이것에 의해, 가스 터빈 출력 설정값에 대한 가스 터빈 출력의 편차에 대해, 제 1 이득 조정부(70)로부터 출력된 이득과 제 2 이득 조정부(74)로부터 출력된 이득의 2개의 이득이 승산되고, 그 산출 결과가 PI 제어부(64)에 출력된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에 따르면, 발전기 출력이 헌팅되고 있는 경우에는, 제 2 이득 조정부(74)가 제 1 이득 조정부(70)에서 설정된 이득을 감소시키기 때문에, 헌팅을 억제하는 방향으로 이득을 조정할 수 있어, 가스 터빈 출력의 헌팅을 확실히 방지할 수 있다. 또한, 헌팅이 발생하고 있지 않은 경우에는, 안정된 제어가 실현되어 있다고 판단하여, 제 1 이득 조정부(70)에서 설정된 이득을 증가시키기 때문에, 추종성을 향상시킬 수 있다.
(제 3 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 3 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치는 제 1 제어부의 피드백 제어부가 구비하는 피크 억제부의 구성이 상술한 제 1 실시 형태와는 다르다. 이하, 제 1 실시 형태와 다른 점에 대해 주로 설명한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 제 1 제어부의 기능 블럭도를 나타낸 도면이다. 본 실시 형태에 따른 제 1 제어부는 로우패스 필터(90)를 피크 억제부(66a)로서 구비하고 있다. 도 12에 나타낸 진폭 특성으로부터 1[㎐] 근방에서 피크가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 진폭 특성에서 이득 피크가 나타내어져 있는 1[㎐] 이상의 주파수 대역을 커트하는 로우패스 필터를 피크 억제부(66a)로서 채용한다. 로우패스 필터(90)에는, 예를 들면, 이하의 (5)식으로 표현되는 1차 지연 요소의 전달 함수가 설정되어 있다.
Figure pct00002
상기 (5)식에서, 시정수 T는 0.3 이상 0.6 이하 정도로 설정하면 좋다.
도 9에 나타내는 피드백 제어부(60a)에서는, 발전기 출력이 로우패스 필터(90)에 입력되고, 약 1[㎐] 이상의 고주파 대역의 신호가 차단된 가스 터빈 출력이 감산부(62)에 입력된다. 감산부(62)에서는, 발전기 출력 설정값에 대한 로우패스 필터 통과 후의 발전기 출력의 편차가 산출되고, PI 제어부(64)에서, 해당 편차에 대해 비례 적분 연산이 행해지는 것에 의해 제 1 연료 유량 지령이 산출된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에 따르면, 도 12에 나타낸 GTCC의 진폭 특성에서 피크가 나타나는 주파수 대역을 차단하는 로우패스 필터(90)를 피크 억제부(66a)로서 채용하고, 로우패스 필터 통과 후의 고주파 성분이 제거된 발전기 출력과 발전기 출력 설정값의 차분에 대해 PI 제어를 실시하여 제 1 연료 제어 지령을 작성하기 때문에, 발전기의 고유 진동을 직접적으로 억제할 수 있어, 발전기 출력의 헌팅을 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 가스 터빈 출력 제어에 필요로 되는 약 0.2[㎐] 근방의 주파수 대역에 대해서는 영향을 주지 않기 때문에, 제어의 안정성을 확보할 수 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치와 제 1 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치를 조합하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우, 로우패스 필터(90)에 의해서 고주파 성분이 차단된 발전기 출력과 발전기 출력 설정값의 차분이 감산부(62)에서 산출되고, 이 차분에 대해 승산부(68)에서 가스 터빈 출력에 따른 이득이 곱해지고, 그 산출 결과에 근거하여 PI 제어가 행해지는 것에 의해, 제 1 연료 제어 지령이 구해진다.
이러한 구성에 의하면, 약 1[㎐] 이하의 저주파수 대역에서는 이득이 증가하기 때문에, 요구 부하(발전기 출력 설정값)에 대한 가스 터빈 출력의 추종성을 향상시킬 수 있고, 또한, 약 1[㎐] 이상의 고주파수 대역에서는 차단되는 것에 의해 피크를 억제할 수 있어, 제어의 안정성을 향상시킬 수 있다.
(제 4 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 4 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 설명한다. 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치는 제 1 제어부의 피드백 제어부가 구비하는 피크 억제부의 구성이 상술한 제 1 실시 형태와는 다르다. 이하, 제 1 실시 형태와 다른 점에 대해 주로 설명한다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 제 1 제어부의 기능 블럭도를 나타낸 도면이다. 본 실시 형태에 따른 제 1 제어부는 연산부(92)를 피크 억제부(66c)로서 구비하고 있다. 구체적으로는, 연산부(92)에는, 발전기의 역특성 모델의 전달 함수가 설정되어 있다. 예를 들면, 전달 함수는 이하의 (6)식으로 표현된다.
Figure pct00003
상기 (6)식에서, MWm는 기계 출력, MWe는 발전기 출력, 즉, 가스 터빈의 기계 출력만이 발전기에 전달되었다고 가정했을 때의 발전기 출력, D는 덤핑 계수, K는 동기화 역(力)계수, M는 관성 정수이다.
여기서, 도 12에 나타낸 진폭 특성의 피크는 발전기에 고유 진동수의 진동이 여기되는 것이 원인이라고 생각된다. 따라서, 피크 억제부(66c)로서, 발전기의 역특성 모델의 전달 함수를 설정한 연산부(92)를 마련하는 것에 의해, 출력에 포함되는 발전기에 관한 성분을 제거할 수 있어, 기계 출력만을 얻는 것이 가능해진다. 즉, 본 실시 형태에 따른 피드백 제어부(60c)에 의하면, 발전기 출력이 연산부(92)에 입력되고, 출력에 포함되어 있는 발전기에 관한 성분이 제거되어, 기계 출력이 추정되어 출력된다. 이 기계 출력은, 감산부(62)에 입력되고, 발전기 출력 설정값과의 편차가 산출된다. 산출된 편차는, PI 제어부(64)에 입력되고, 이 편차에 근거하여 제 1 연료 제어 지령이 산출된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 터빈 제어 장치에 의하면, 발전기의 역특성 모델에 관한 전달 함수를 연산부(92)로 설정하는 것에 의해, 발전기의 특성을 상쇄하고, 기계 출력을 피드백 제어부(60c)의 입력 신호로서 이용할 수 있다. 이 결과, 발전기의 특성에 의해서 발생하는 진폭 특성의 피크를 제거할 수 있어, 발전기를 주원인으로 하는 발전기 출력의 헌팅을 억제할 수 있다.
12: 가스 터빈 14: 증기 터빈
16: 발전기 42: 유량 조정 밸브
44: 가스 터빈 제어 장치 50: 제 1 제어부
60, 60a, 60c: 피드백 제어부 62: 감산부
64: PI 제어부 66, 66a, 66b, 66c: 피크 억제부
68: 승산부 70: 제 1 이득 조정부
72: 헌팅 판정부 74: 제 2 이득 조정부
90: 로우패스 필터 92: 연산부

Claims (9)

  1. 가스 터빈과, 적어도 가스 터빈의 회전 동력이 전달되어 발전되는 발전기를 구비하는 발전 설비에 이용되고, 요구 부하에 근거하여 결정되는 발전기 출력 설정값에 발전기 출력을 추종시키기 위한 제 1 연료 제어 지령을 구하는 제 1 제어 수단을 구비하는 가스 터빈 제어 장치로서,
    상기 제 1 제어 수단은 피드백 제어 수단을 갖고,
    상기 피드백 제어 수단은,
    상기 발전기 출력 설정값에 대한 발전기 출력의 편차를 산출하는 감산 수단과,
    감산 수단보다 제어의 후단에 마련된 비례 적분 연산 수단과,
    상기 발전기 또는 상기 발전기를 포함하는 계통의 진폭 특성의 피크를 억제하는 피크 억제 수단을 구비하는
    가스 터빈 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피크 억제 수단은,
    상기 감산 수단과 상기 비례 적분 연산 수단 사이에 마련되고, 입력 신호에 대해 이득을 승산하는 승산 수단과,
    상기 가스 터빈 출력에 따라 상기 승산 수단의 이득을 조정하는 제 1 이득 조정 수단
    을 구비하되,
    상기 제 1 이득 조정 수단은, 정격 부하보다 낮은 부분 부하시에 인가하는 이득을, 정격 부하시에 인가하는 이득보다 작게 설정하는
    가스 터빈 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 이득 조정 수단은 가스 터빈 출력의 증가에 맞추어 상기 이득을 증가시키는
    가스 터빈 제어 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 수단은,
    상기 발전기 출력에 헌팅(hunting)이 발생하고 있는지 여부를 판정하는 헌팅 판정 수단과,
    상기 헌팅 판정 수단에 의해서 헌팅이 발생하고 있다고 판정된 경우에, 상기 제 1 이득 조정 수단에 의해서 설정된 이득을 감소시키는 제 2 이득 조정 수단을 구비하는
    가스 터빈 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 이득 조정 수단은, 상기 헌팅 판정 수단에 의해서 헌팅이 발생하고 있지 않다고 판정된 경우에, 상기 제 1 이득 조정 수단에 의해서 설정된 이득을 증가시키는
    가스 터빈 제어 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피크 억제 수단은, 상기 진폭 특성에서 피크가 발생하고 있는 소정의 주파수 이상의 신호를 차단하는 로우패스 필터를 더 구비하고, 필터 처리 후의 발전기 출력을 상기 피드백 제어 수단의 상기 감산 수단에 출력하는
    가스 터빈 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 피크 억제 수단은, 상기 발전기 출력이 입력 신호로서 입력되고, 상기 입력 신호에 포함되는, 상기 진폭 특성에서 피크가 발생하고 있는 소정의 주파수 이상의 신호를 차단하는 로우패스 필터를 갖고, 상기 감산 수단에는, 상기 로우패스 필터를 경유한 발전기 출력이 입력되는
    가스 터빈 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 피크 억제 수단은, 상기 발전기의 역특성 모델의 전달 함수가 설정된 연산 수단을 갖고, 상기 연산 수단을 경유한 발전기 출력이 상기 감산 수단에 입력되는
    가스 터빈 제어 장치.
  9. 가스 터빈과,
    청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 가스 터빈 제어 장치
    를 구비하는 발전 시스템.
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