TW405291B - Method for controlling a power plant - Google Patents

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五、發明説明（1 ji05291 技術範圍 根據申請專利範圍第1項之前言所述，本發明與控制發 電廠發電的方法有關。 發明背景 由於過去幾年來發電市場解除管制導致電力供應商間彼 此競爭增加。尤其是獨立電力供應商（IPPS)對發電市場遊 戲規則的影響力與日俱增。市場競爭激烈而且運作_個發 電站所需的成本高筇’因而對於發電站的依賴度及其所產 生的效益期望增高。特別對於目前其工業正在開發的國家 ，對於電力需求持續增加，因此，一也造成電網相當地不穩 足在這種情況之下，在提供發電嚴頻率響應的功能方面 ，最重要就是要能夠持續供應可信賴的電網運作。而對於 氣體渦輪機行業而言，爲了要能夠供應價廉、清潔及可靠 2電力，很重要的—點，就是要讓由氣體渦輪機發電的發 電廠在電網中會發生頻率響應，該電網可能達到高且快的 頻率波動。最近在馬來西亞所發生的大停電更突顯 於 電力需求孔急。 ' 發明之概述 經濟部中央標準局員工消費合作社印衆 以技術而言，對於發電廠頻率響應的需求可以從三個 面來看：能夠 i)在每次電網頻率的給定落下距離時，自 ”在给定的時間内產生電力，譬如··在某電力斜量’ 3)在寬波段的周圍條件和寬波段的電網頻 性能。 /生土，工述的 21GX297公楚） 、發明説明（ 405291 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 制，:乱體渴輪機而言，要滿足這些需求，先要找出其限 部c ^關度的限制、斜度的限制（電力和溫度）以及某些 σ x承又的載荷循環次數的限制。藉由建設性的方式 乳組局輪機控制系統可突破這些限制’才能符合甚至超 越平場對於頻率響應的需求。 、下疋測量電網的資料處理示意圖，用來説明產生信號 電力控制器中，以至於可滿足與動態氣體渦輪機響應 :的電網需求’同時，這個運作模式對於縮短氣體 機使用期限的負面影響也可減至最小。 根據本發明，另外所發展出來解決方案的好處和方式， 將在獨立申請專利範圍中加以説明。 附圖之簡要説明 有關本發明更値得讚賞和許.多隨之而來的好處都請參 後面的細節説明，並對照以下相關的附圖查看，其中： 圖1顯示頻率運作模式， 圖2顯示靜態特性， 圖3顯示無反應波段_靜態特性， 圖4顯示典型電網-發展， 圖5顯示信號類型：定義， 範例， 靜態無反應波段， 走勢， 動態無反應波段， (請先閱讀背面之注"-事項^填寫本頁) i裝 訂 圖6顯示信號類型 圖7顯示信號類型 圖8顯示信號類型 圖9顯示信號類型 圖10顯示具有恒定動態無反應波段的GSP輪出 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2I0X297公釐） 第86117498號專利申請案 中文說明書修正頁(89年7月） 89. 7.A1 年月8¾ * 五、發明説明（3 ) 405291

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖1 1顯示無反應波段的緊縮/膨脹 圖1 2顯示無反應波段的膨脹/膨脹 圖13顯示GSP的黑線圖以及 圖1 4顯示無反應波段位移。 元件符號說明 1 電網 2 發電機 3 電力控制器 4 電網信號處理器（GSP) 5 氣體渦輪機 6 量測的頻率 7 走勢濾波器 8 無反應波段緊縮/膨脹子系統 9 1 :離開較低的無反應波段 10 飽和 11 較低的無反應波段限制 12 走勢 1 3 較高的無反應波段限制 14 1 :離開較高的無反應波段 15 1 1 6 輸出頻率至下垂特性 17 加法器 18 減法器 19 乘法器 6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） --------->衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 第86丨丨7498號專利中請案¾ : 」 中文說明書修正頁(89年7月）仏Β7; ·：'；"·''~| .___ 五、發明説明（；i^^l " 405291 較让具體例證之說明 氣體滿輪機5的频率评作模式，其特徵為根據已知（線性） 特性將氣體渦輪機電力控制器3的給定值Pc的自動變更视 為頻率誤差△/的函數’前述的已知特性稱為下垂特性 (droop characteristic)。該控制迴圈的基本設定如圖】所 7F :孩測量電網頻率（/m)與頻率給定值（八：一般為5〇赫茲 或60赫茲）相比較。那麼，所得之頻率誤差 △/=/m-/。 (2.1) 會轉變為所需要的電力信號ΔΡ。’該ΔΡ。信號是以按照局 邵電網代碼所規定的下垂特性為基礎的。接下去，將參考 有關的k號處理互除法以做為電網信號處理器（Gsp4，請參 見圖1)。加入電力給定值Pc(係由操作者來選擇）中的GSp4 牵8ιΐ出會產生整體所需的電力輸出Pct，這個信號實質上是被 推向電力控制器3 ’電力控制依次與作用於燃料質量流（m/) 和/或可賙通氣導片（VIGV)為了將測量電力輸出Pm調整為 整體電力需求Pet，這個可提供可靠和快速的頻率響應的迴 圈特性由過程動力學（GT過程、測量、傳動裝置）、電力控 制器3的動力學和G S P 4的品質來決定。 處置GSP的其餘部份，將頻率信號轉變為適當的信號 APC以滿足電網的需求，並且將以不影響氣體渦輪機使用期 -6a - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） I I I f 裝 I. ^訂 I L^· . : {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 405291 五、發明説明（4

限的方式來操作該氣體渦輪機。 定義！該下垂特性是—函數，)，該函數可決 電廢頻率誤差有關的電力輸出固定變更， 是 頻率響應運作的方式執行。 贫私廠疋以 理想的、線性特性如圖2所示。 該下垂決定隸、理想特彳 想特性如圖2所示。 卩U線性數據與理 方要執行發電廠中的理想下垂特性不 該特性會對任何頻率誤差產生頻率響應，尤其當:差？： 和/或電網雜波。這I雜波會對應到電二力 二指令信號内，因此產生電廠輸出帶有雜波。 和電網操作者兩者而言都不希望出現這種 :道 #作者而τ，電戚的磁化電流帶有雜波偉號 :導致不必要的使用期限的耗損。對於氣體 廠 特別重要。對於電網操作者而言，當然不3 *處輸=雜波，因爲這會增加電網的雜波層次。該電網 的:垂:疋越低的話’電網雜波就會越增強。因此 經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 應波段來修正。下 。我們將h 1 冑網㈣者所指派 佳化二問題，並且將呈… ^ 崔保了付&電網和電廠操作者的需求。 供氣體渴輪機推動的發電麻使用的GSP最佳化某礎是分 “網動力學。典型英國電網的曲線結果如圖4所示以做 角說明範例。這些資料可以根據其頻率的動態特性和t對 本紙張尺度適用中國國家择 •7. 405291 A7 B7 五、發明説明（5 於氣體渦輪機使用期限所得出的振幅爲基礎加以分類。分 析結果的重點如圖5所示’本質上，電網的動態信號内容 可分爲三種類型的重疊信號： 類型1-信號顯示電網的長期性質，橫軸代表時間，越往 右表π分的增加（請參見圖4)。圖中移動的曲線也代表走向 。孩走向；I：由電力消耗的浮動和電網本身的動力所產生的 。因此電網擁有人希望接收類型丨的頻率響應。但由於該 響應的傾斜度非常低而且其所產生的頻率有限制，類型i 信號對於氣體滿輪機使用期限幾乎無法造成任何影響。 類型2-信號在整個頻譜中的低波幅信號具有椏高的產生 =(每年G(1()’））。由於信號產生率很高，所以該信號對於氣 姐渦輪機的耗損有極大的影響。換言之，基本上作號是由 隨機效應所產生（測量雜波，電網雜波），因此與頻率塑應 無關。所以爲了電網擁有人和電廠操作者的㈣，要抑制 逆種型態的信號頻率響應。 類型3-信號其特徵爲頻率容量（c〇ntent)非常高、波幅（典 型脈衝和步幅）也高以及相當低的頻率產生率。這些信號是 *㈤事件所產生，前述的事件譬*像發電废的周 對於電網操作者而言，最重要是要有可靠的、此 摭你田如 響應' 绝些仏唬較不會影響到氣體渦輪 二期限’而這類的事件與其他類型的信號也很少拿來 做比較。 描述以上信號類型的典型曲線方式如圖6所示。按以上 为析馬基礎所建構的GSP，可根據特定的下垂提供類型i (請先閱讀背面之注t事項#·填寫本黃) i 襄-------r ------ 經濟部中央標準局負工消费合作社印掣 -A.

經濟部中央標準局員工消费合作社印^ 405291 五、發明説明（6 ) 和類型3信號的頻率響應，並且抑制類型3信號的頻率響 應。建構這類GSP的關键就是要將這三種類型與現有的頻 率測量區隔開來。 動態無反應波段的觀念和機制：新的GSP中心，動態無 反應波段取代第3節中所描述的靜態無反應波段。圖7分 析了該走勢將這種變動狀況清楚地顯示出來。從該圖中可 以很明顯地看出，靜態無反應波段無法將類型3信號與其 他類型區分出來’因爲該走勢（類型1信號）大部份時間是落 在靜態無反應波段之外。但是，由於該走勢是定義電網的 長期特質，該走勢可透過一走勢遽u波器由電網頻率測量出 適當的過濾狀況而建構起來《要記得類型3信號佔據整個 頻率範圍，很明顯此類型的信號無法藉由動態濾波器區分 出來。換言之，圖5和圖8則顯示可以藉由波幅將類型i 信號區隔出來。換句話説：類型3信號的走勢在定義上有 微小的偏差’因此，應將其頻率響應加以抑制。藉由無反 應波段的執行，該狀況可以很輕易地完成，無反應波段會 集中在走勢附近而不是額定頻率/〇。由於該無反應波段^ 位置與走勢不同，所以稱爲動態無反應波段。 該走勢信號加上動態無反應波段也成爲可偵測類型3信 號的機制：定義上，任何脱離動態無反應波段的電網信號 即爲類型3信號（南波幅’南頻率）。該原則如圖9所示。 現在將運作GSP的基本機制扼要説明如下：只要測量電 網信號是位於動態無反應波段内，向理想特性（圖2)推進的 信號就是走勢信號，而且就是那些時間區隔内的測量電網 _ -9- —本紙張尺度適用中"ϊϊ家標準（CNS ) Λ4規格（210X^7^^ ----------__ - --. m In 1^1 I In nIJ-R, -. -m 1^1 ---*- 、-° - - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 405291 五 、發明説明（ (請先閱讀背面之注t'事項#-填寫本頁) 2號，在該時間區隔内電網信號脱離了動態無反應波段。 措由這種方式，頻率響應會局限於那些與電網有關的事件 二並且大部份時間電網雜波也被抑制住。要注意若對類型3 L號有所回應時電網雜波就無法被抑制住，因爲這類信號 的頻率範圍可能與類型2信號重疊。但是，這並不足=影 響氣體渦輪機的使用期限，因爲類型3事件不常發生，而 t在這些事件中，對於使用期限具有決定性影響的是類型3 信號而*是類型2信號（因爲類型3的波幅較高）。以這種機 制所取得的典型曲線如圖1 〇所示。 播反應波段的策略如下所示： 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 a)從緊縮/膨脹的觀點來看：圖1〇曲線顯示，在測量頻率 信號與無反應波段接近時會產生問題。此時，可能會有 頻繁的進出無反應波段的情形（由類型2信號所產生卜 這種情況每每都會引發自走勢信號跳躍至頻率測量再跳 回走勢仏號的結果。這種效應稱爲顫動。若採用緊縮的 無反應波段即可避免顫動。這種作法是要讓測量頻率在 —脱離無反應波段時就讓該無反應波段變得非常小。如 此一來，類型2信號就無法引發顫動。然後，—旦測量 頻率重新進入緊縮的無反應波段，該無反應波段就會再 度緊縮。這種機制的簡圖如圖丨丨所示，該機制的簡單頻 率曲線如圖12所示。GSP輸出無反應波段緊縮的結果 將包含類型2信號，直到該信號進人緊縮的無反應波段 。這對於氣體渦輪機的使用期限不會造成任何問，題，因 爲類型3事件（因此產生無反應波段緊縮/膨脹）相當罕見 -10-

_尺度通用中家辟（cNS 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 405291 A7 ___ B7 五、發明説明（8 ) ~~' ’而且也因爲無反應波段重新進入之前所需時間很短（ 因此類土 2事件的數量非常低）。圖丨3顯示電網信號處 理的方塊圖。這個方塊圖對於本行業中的專家是可瞭解 的。 b)從無反應波段位移的觀點來看：另一個處理顫動問題且 不需要無反應波段緊縮的方法，是利用無反應波段位移 。藉由這種機制，走勢滤波器每次都會重新啓動，測量 頻率也會重新進入無反應波段中。在這個時間點，走勢 濾波器重新進入時會藉由測量頻率加以啓動。因此，無 反應波段（會集中圍繞在走勢附近）會位移其整個寬度的 一半。以這種方式，波段會平滑地重新進入無反應波段 中建立起隔離類型3事件，並且重新進入時顫動會消除 ，而該重新進入是由類型2信號所引發。可達到後者的 情況，這是由於類型2重新進入會導致無反應波段位移 ，之後並排除了其他與新走勢有關的類型2事件。範例 曲線如圖14所示。 C)從無反應波段之外的時間所規定的觀點來看：另一種策 略是規定測量頻率可能落在無反應波段之外的最長時間 。本機制與前一節的無反應波段位移有關，本機制有可 能將穿透下垂特性的類型2事件其數目減至最小。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） ---------批衣-------------Λ (請先閱讀背面之注意事項再4:寫本頁) 」 ·. 一

Claims (1)

1. 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印製 頰請委员明示·本袞修工後是杏變史/;:货質内容 第86117498號專利申請案 中文/dint固修正本(87年1月） 六、申請專利範圍 1. 一種控制發電廠發電的方法，該電廠傳送電 網， ％ 主~電力 琢電網爲—交流電網並具有一在 波動的電網頻率， 笼羊(/。)四周 其中受到控制的該發電廠之電力輸出做爲控制 功能’在此種情況下’當控制頻率減少到低於該頦每 率（/〇)時，電力輸出增加，而當控制頻率增加到超過款箱 定頻率（/〇)時，電力輸出即減少，其特徵在 A 、 該電網頻率持續地進行測量，測量電網頻率（/m)會加 以平均做爲移動平均線，一緩慢改變 ::σ 馬走勢頻率，該走勢頻率具有電網頻率長期特性的特徵， 在孩平均電網頻率四周，若該測量電網頻率落在—預 定的波段内作爲無反應波段，則該平均電網頻 决、 做爲控制頻率，及 ’、q j术 若該測量電網頻率落在該預定波段之外，則該測量電 網頻率會用來做爲該控制頻率。 ％ 2. 如申請專利範圍第Η之方法，其特徵在該發電庭包括 -氣體滿輪機（GT)，且該氣體漏輪機的輸出電力控制爲 該控制頻率的一功能。 3. 如申請專利範圍第丨項及第2项其中—項之方法，其特 徵在該輸出電力係該控制頻率之—線性或非線性功能。 4. 如申請專利範圍帛i項之方法，其特徵在該無反應波段 係由較回的播反應波段及一較低的無反應波段所組成 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS > A4说格（210X 297公釐） ¾---一---r.^------,ii (請先閔讀背面之注意事項fv'寫本頁} # - ABCD 405291 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其特徵在該較高的無反 應波段及較低的無反應波段係由一相等的頻寬所組成， ^-- (請先閲讀背面之注f項广%·寫本頁) 或是由—不相等的頻寬所組成，或是由一在某段時間内 不同的頻寬所组成。 6. 如申請專利範圍第4項之方法，其特徵在該額定頻率（/0) 爲50或60赫茲，而該較高無反應波段與較低無反應波 段之頻寬約爲0.015赫茲》 7. 如申請專利範圍第6項之方法，其特徵在該無反應波段 之頻寬保持不變。 8. 如申請專利範圍第6項之方法，其特徵在該無反應波段 之頻寬保持在第一層，只要測量電網頻率落在該無反應 波段之内， 若測量電網頻率穿過該無反應波段的邊界以脱離該無 反應波段，則該無反應波段的頻寬下降到低於第一層的 第二層，及 線 若該測量電網頻率穿過該減少頻寬的無反應波段之邊 界以重新進入該無反應波段，則該無反應波段的頻寬會 自該第二層回到該第一層。 經濟部中央橾率局負工消費合作社印製 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其特徵在該頻寬之第一 層約爲0.030赫茲。 10. 如申請專利範圍第7項之方法，其特徵在平均該測量電 網頻率以提供該平均電網頻率的過程中止，並且每當該 測量電網頻率在之前離開該無反應波段之後又再重新進 入該波段時，則會開始一新的平均過程。 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（2丨0 X 297公釐） 405291 A8 B8 C8 D8 中請專利範圍 u.如申請專利範圍第7項之方法，其特 細此+ 蚁在十均孩測量雷 々頻率以提供該平均電網頻率的過程中止，並且_ = ，電網頻率落在該無反應波段之外的時間超過—預定的 取長時間，則會開始一新的平均過程。 12.如申請專利範圍第丨丨項之方法，其特徵在平均該測量電 網頻率以提供該平均電網頻率的過程，是以過濾的方法 元成。 3·如申凊專利範圍第12項之方法，其特徵在該過濾方法包 括—低通濾波器。 ϋ n If n n tn - -- n - - 士^. m m I - Γ— I If T U3- ,ve (請先聞讀背*之注意事項r'4>寫本頁) 4 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度通用十國國家標半（CNS)A4规格（210x297公嫠）