WO2014020772A1

WO2014020772A1 - ２軸式ガスタービン発電システム、ガスタービンシステムの制御装置および制御方法

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Description

２軸式ガスタービン発電システム、ガスタービンシステムの制御装置および制御方法

　本発明は、２軸式のガスタービンを用いる２軸式ガスタービン発電システム、制御装置およびガスタービンシステムの制御方法に関する。

　発電機等の負荷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（特開２０１０－６５６３６号公報）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。

特開２０１０－６５６３６号公報

　上記従来技術に記載のような２軸式ガスタービンは、ポンプや発電機等の被駆動機を駆動する低圧タービンと、その低圧タービンの作動ガスを発生させるガスジェネレータ（圧縮機と高圧タービン）とを異なる回転数で運転することができる。そのため、例えば、被駆動機の回転数がガスタービン側の定格回転数より低い場合でも、圧縮機と高圧タービンとを高速回転させ、低圧タービンにおける膨張仕事能力がより一層高い作動ガスを発生させることにより高効率化を図るということもできる。

　しかしながら、上記従来技術のような２軸式ガスタービにおいては、高圧タービンの温度制約や、圧縮機の回転速度における遠心力上の機械的制約があり、これらの制約によって結果的に効率の低下が生じる場合がある。

　すなわち、例えば、圧縮機で取り込む外気の温度が設計値よりも高い場合には、相対的に空気の密度が低くなる。この場合、燃焼ガスによるタービンへの仕事が減るので回転速度が下がり、圧縮機の空気流量が減るので燃焼温度が上がってしまい、高圧タービン翼の温度も高くなる。高圧タービンには温度制約があるため燃料を絞ることになり、結果として出力・効率が低下する。

　また、圧縮機で取り込む外気の温度が設計値よりも低い場合には、相対的に空気の密度が高くなる。この場合、燃焼ガスによるタービンへの仕事が増えるので回転速度が上がってしまう。圧縮機には回転速度における制約があるため燃料を絞ることになり、結果として出力・効率が低下する。

　本発明は上記に鑑みてなされたものであり、外気温度の変化による効率の低下を抑制することができる２軸式ガスタービン発電システム、ガスタービンシステムの制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明は、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ガスタービンと、前記圧縮機と前記高圧ガスタービンとを繋ぐ第１回転軸と、前記第１回転軸に繋がれた電動機と、前記圧縮機に取り込まれる空気の量を調整することにより前記高圧ガスタービンの出力を制御する調速機と、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、前記低圧ガスタービンに繋がれた第２回転軸と、前記第２回転軸に繋がれた同期発電機と、外部系統に接続された前記同期発電機と前記電動機との間で電力を伝達する電力伝達経路上に設けられ、伝達される電力の周波数を変換する周波数変換器と、前記外部系統に出力する電力を指示する電力出力指令値に基づいて、前記周波数変換器を制御する周波数変換器制御装置と前記調速機とを制御することにより、前記ガスタービンと前記電動機の合計出力を制御する制御装置とを備えたものとする。

　このように、外部系統に出力する電力を指示する電力出力指令値に基づいて、周波数変換器を制御する周波数変換器制御装置と調速機とを制御することにより、ガスタービンと電動機の合計出力を制御するように構成したので、外気温度の変化による効率の低下を抑制することができる。

　本発明によれば、外気温度の変化による効率の低下を抑制することができる。

第１の実施の形態に係る２軸式ガスタービン発電システムの全体構成を概略的に示す図である。電動機の構成を模式的に示す図である。周波数変換器の構成を模式的に示す図である。抵抗回路の構成を模式的に示す図である。制御装置の通常時制御における２軸式ガスタービンの出力の大気温度特性を模式的に示す図である。同期発電機の出力と、電動機の出力と、その合計出力との関係を示す図である。外部系統の電圧異常の一例として瞬時電圧低下の電圧の時間変化とグリッドコードとの関係を示す図である。電圧変化が生じた場合の、２軸式ガスタービン、および同期発電機の物理量を示す図である。電圧変化が生じた場合の、２軸式ガスタービン、および同期発電機の物理量を示す図である。電圧変化が生じ、脱調が発声した場合の、同期発電機の位相を示す図である。第１の実施の形態の変形例に係る電動機の構成を模式的に示す図である。第１の実施の形態の変形例に係る周波数変換器の構成を模式的に示す図である。第２の実施の形態に係る２軸式ガスタービン発電システムの全体構成を概略的に示す図である。

　＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　図１は、本実施の形態に係る２軸式ガスタービン発電システムの全体構成を概略的に示す図である。また、図２は電動機、図３は周波数変換器、図４は抵抗回路の構成をそれぞれ模式的に示す図である。

　図１において、本実施の形態の２軸式ガスタービン発電システムは、２軸式ガスタービン６と、２軸式ガスタービン６に繋がれた電動機９と、２軸式ガスタービン６により駆動される同期発電機７と、外部系統５０に接続された同期発電機７と電動機９との間で電力を伝達する電力伝達経路２６上に設けられ、伝達される電力の周波数を変換する周波数変換器１０と、２軸式ガスタービン発電システム全体の動作を制御する制御装置１２とを概略備えている。

　２軸式ガスタービン６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１と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器２と、燃焼器２で得られた燃焼ガスにより駆動される高圧ガスタービン３Ｈと、圧縮機１と高圧ガスタービン３Ｈとを繋ぐ第１回転軸４Ｈと、圧縮機１に取り込まれる空気の量を調整することにより高圧ガスタービン３Ｈの出力を制御する調速機１３と、高圧ガスタービン３Ｈを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービン３Ｌと、低圧ガスタービン３Ｌに繋がれた第２回転軸４Ｌとを備えている。

　調速機１３は、圧縮機１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５（IGV：Inlet Guide Vane）と、燃焼器２の噴射燃料とを制御することにより、２軸式ガスタービン６の回転速度及び出力の調整を行う。

　同期発電機７は、第２回転軸４Ｌに繋がれている。同期発電機７は、自動電圧調整装置（AVR：Automatic Voltage Regulator）１４により制御される発電機回転子８を有しており、発電機回転子８が第２回転軸４Ｌにより伝達される低圧タービン３Ｌの回転力により駆動される。自動電圧調整装置１４は、電圧測定装置１６（後述）からの検出信号に基づいて、同期発電機７からの出力電圧の制御を行う。なお、低圧タービン３Ｌに接続された第２回転軸４Ｌと同期発電機７とは、ギアを介さずに機械的に接続されている。したがって、低圧タービン３Ｌと同期発電機７の回転速度は外部系統５０の周波数と同期するよう常に一定に制御される。例えば、同期発電機７が２極であって出力周波数を５０Ｈｚとする場合は、その回転速度は３０００ｍｉｎ^－１で一定に制御される。また、同期発電機７が４極であって出力周波数を５０Ｈｚとする場合は、その回転速度は１５００ｍｉｎ^－１で一定に制御される。同様に、同期発電機７が２極または４極であって出力周波数を６０Ｈｚとする場合は、その回転速度は、それぞれ、１８００ｍｉｎ^－１または３６００ｍｉｎ^－１一定に制御される。

　電動機９は、第１回転軸４Ｈに繋がれている。電動機９は、第１回転軸４Ｈにより伝達される圧縮機１及び高圧タービン３Ｈの回転力により駆動される。電動機９としては、その容量が同期発電機７の容量よりも小さいものを用いている。なお、圧縮機１及び高圧タービン３Ｈに接続された第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。

　図２に示すように、電動機９は、固定子２３０と回転子２５０とを備えている。固定子２３０は、ハウジング２１２に収められている。固定子２３０は、ハウジングに固定された固定子鉄心２３０と、固定子鉄心２３０に固定された固定子巻線２３８とから構成されている。また、回転子２５０は、シャフト２１８と、シャフト２１８に固定された回転子鉄心２５２と、回転子鉄心２５２の中に埋め込まれた永久磁石２５４とから構成されている。

　ハウジング２１２の軸方向両側（図２の左右方向両側）にはエンドブラケット２１４が設けられており、エンドブラケット２１４に設けられたベアリング２１６を介してシャフト２１８が回転可能に保持されている。シャフト２１８は、２軸式ガスタービン６の第１回転軸４Ｈと機械的に接続されている。固定子２３０と回転子２５０は、その間にギャップ２２２を有するように配置されている。

　シャフト２１８には、磁石位置を検出し周波数変換器制御装置１１（後述）に検出信号を送る磁石位置検出器２２４と、シャフト２１８の回転速度を検出する回転速度検出器２２３とが設けられている。なお、回転速度検出器２２３による回転速度の検出は、磁石位置検出器２２４により検出される磁石位置から算出できるため、この場合には、回転速度検出器２２３は無くてもよい。また、センサレスベクトル制御を行う場合には、磁石位置検出器２２３も無くてもよい。

　圧縮機１の定格回転速度は高速であり、したがって、第１回転軸に接続された電動機９は、例えば、３６００ｍｉｎ^－１以上の高速で駆動される。そのため、第１回転軸に接続される電動機９は、高速回転に対応した構造である必要がある。本実施の形態の電動機９のように、回転子２５０に永久磁石２５４を用いる永久磁石電動機は、回転子２５０を単純な構造とすることができるので機械的バランスがとりやすく，高速回転に比較的容易に対応することができる。また、このような電動機９は、構造が堅牢であり、また、メンテナンスが簡単であるという利点がある。

　図１に戻る。

　同期発電機７の出力は、電圧を変換する変圧器１９Ａと、変圧器１９Ａからの電力の伝達を遮断可能に設けられた遮断機１５とを介して外部系統５０に接続されている。遮断機１５と外部系統５０の間には、外部系統５０の電圧を検出する電圧測定装置１６が備えられている。電圧測定装置１６の検出結果は、制御装置１２と、自動電圧調整装置１４と、異常制御装置２２（後述）に送られる。

　また、同期発電機７と変圧器１９Ａの間の電力伝達経路には、同期発電機７と変圧器１９Ａの間に並列接続され、同期発電機７及び変圧器１９Ａの接続（言い換えると短絡）と遮断（言い換えると開放）とを異常制御装置２２（後述）からの制御信号に基づいて切り換える切換装置５０１を設けた抵抗回路２１が配置されている（図４参照）。抵抗回路２１は、切り替え装置５０１を介して同期発電機７と変圧器１９Ａの間の電力伝達経路に並列接続された抵抗器５０２を有している。切換装置５０１により抵抗器５０２が切断状態の場合、抵抗回路２１は、同期発電機７と変圧器１９Ａの間の電力伝達に影響しない。切換装置５０１により抵抗器５０２が接続状態の場合、抵抗回路２１は、同期発電機７と変圧器１９Ａの間の電力を消費する。

　また、同期発電機７の出力は、電力伝達経路２６を介して電動機９に接続されている。電力伝達経路２６は、変圧器１９Ａの同期発電機７側と電動機９との間で電力を伝達するものである。電力伝達経路２６上には、同期発電機７と電動機９との間で伝達される電力の周波数変換および伝達方向の切り換えを行う周波数変換器１０と、同期発電機７と周波数変換器１０の間で伝達される電力の電圧を変換する変圧器１９Ｂと、が設けられている。

　周波数変換器１０は、周波数変換器制御装置１１により制御される。周波数変換器制御装置１１は、電力伝達経路２６上における周波数変換器１０の同期発電機７側（すなわち、変圧器１９Ａ側）と電動機９側とにそれぞれ設けられた電流センサ２０Ａ，２０Ｂからの検出信号と、制御装置１２からの制御信号と、異常制御装置２２からの異常時制御信号とに基づいて周波数変換器１０を制御し、同期発電機７と電動機９との間で伝達される電力の周波数変換および伝達方向の切り換えを行う。電動機９により第１回転軸を介して圧縮機１に加えられるトルクを周波数変換器制御装置１１により制御することにより、圧縮機１を可変速制御することができる。

　図３に示すように、周波数変換器１０は、外部系統５０側（すなわち、同期発電機７側）の交流電力を直流化する変換器４０３と、直流化した電力を交流化して電動機９側に伝達する変換器４０２と、変換器４０３と変換器４０２の間での電力の変動分を平滑化するコンデンサ４０４とを備えている。なお、変換器４０２，４０３は、それぞれ、交流電力を直流化する機能と、直流電力を交流化する機能の両方の機能を有している。したがって、電動機９側の電力を周波数変換して同期発電機７側に伝達する場合は、電動機９側の交流電力を変換器４０２で直流化し、コンデンサ４０４で電力の変動分を平滑化し、直流化した電力を変換器４０３で交流化して同期発電機７側に伝達する。

　図１に戻る。

　制御装置１２は、上位の制御装置（図示せず）から出力される電力出力指令値１８、或いは、圧縮機１に取り込まれ空気の状態（気温、気圧、湿度）を計測する外気状態計測装置（気温計、気圧計、湿度計）１７からの計測結果と電力出力指令値１８とに基づいて、周波数変換器制御装置１１と調速機１３とを制御することにより、２軸式ガスタービン６の出力と電動機９の合計出力を制御する。

　異常制御装置２２は、予め定めた外部系統５０の電圧異常の判定基準値（グリッドコード：後述）と電圧測定装置１６の測定結果との比較結果により外部系統５０に生じた電圧異常を検出する。異常制御装置２２は、電圧異常を検出した場合、すなわち、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断から接続に切り換えるよう制御し、その他の場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断状態に制御する。また、異常制御装置２２は、外部系統５０の電圧異常を検出した場合には、異常時制御信号を周波数変換器制御装置１１に送る。

　周波数変換器制御装置１１は、異常制御装置２２が外部系統５０の電圧異常を検出していない正常時には制御装置１２の制御（通常時制御：後述）に従い、電圧異常を検出した異常時には、異常制御装置２２の制御（異常時制御：後述）に従って動作する。

　ここで、異常制御装置２２による外部系統５０の電圧異常判定の処理について説明する。

　図７は、外部系統５０の電圧異常の一例として瞬時電圧低下の電圧の時間変化とグリッドコードとの関係を示す図であり、縦軸に外部系統５０の系統電圧、横軸に時間をそれぞれ示している。

　図７においては、グリッドコードを実線２０１、瞬時電圧低下が発生したときの電圧波形の２例を破線１０１，１０２で示している。

　グリッドコードの各時間における数値設定として、例えば、欧州のグリッドコードでは，瞬時電圧低下が発生した時間ｔ０から時間ｔ２までがおよそ０．１～０．２ｓｅｃに設定されており、時間ｔ０～時間ｔ３がおよそ１秒程度に設定されている。

　異常制御装置２２は、たとえば、外部系統５０の異常により電圧が破線１０１のようにグリッドコード２０１の範囲内で変化した場合には、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定しない。一方、異常制御装置２２は、たとえば、外部系統５０の異常により電圧が破線１０２のようにグリッドコード２０１と交差し（時間ｔ２参照）、グリッドコード２０１の範囲外まで変化した場合には、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定し、異常時制御を実施する。

　ここで、以上のように構成した本実施の形態の２軸式ガスタービン発電システムにおける通常時制御および異常時制御の詳細について説明する。

　（通常時制御）
異常制御装置２２が外部系統５０の電圧異常を検出していない正常時において、制御装置１２は、上位の制御装置（図示せず）から出力される電力出力指令値１８、或いは、値圧縮機１に取り込まれ空気の状態（気温、気圧、湿度）を計測する外気状態計測装置１７からの計測結果と電力出力指令値１８とに基づいて、周波数変換器制御装置１１と調速機１３とを制御することにより、２軸式ガスタービン６の出力と電動機９の合計出力を制御する。

　図５は、制御装置１２の通常時制御における２軸式ガスタービンの出力の大気温度特性を模式的に示す図であり、縦軸はガスタービン出力を、横軸は大気温度をそれぞれ示している。なお、大気温度とは、圧縮機１に取り込まれる空気の温度である。図５において、特性線Ａ１，Ｂ１は、本実施の形態の通常時制御における特性を示すものであり、特性線Ａ２，Ｂ２は、本実施の形態の通常時制御を行わない比較例の特性を示している。

　制御装置１２は、大気温度が設計温度の範囲である場合、調速器１３をかいして２軸式ガスタービン６の動作を制御するとともに、周波数変換器制御装置１１を介して周波数変換器１０の動作を制御し、２軸式ガスタービン６により駆動される同期発電機７の出力３０３と電動機９の出力３０２の合計出力３０１が電力指令値１８でバランスするように制御する（図６参照）。なお、電動機９で圧縮機１をアシストするよう制御した場合は、２軸式ガスタービン６の出力３０３からアシストに要した電動機９の入力（出力３０２の逆方向の供給電力）を引き算した値が外部系統５０への出力３０１となる。また、電動機９で圧縮機１を制動した場合は、２軸式ガスタービン６の出力３０３と、電動機９からの出力３０２の合計が外部系統５０への出力となる。

　２軸式ガスタービン６においては、燃焼機２による燃焼ガスの温度が高くなるほど効率がよく、したがって、上記のような定格負荷運転時に最も性能が良くなるように、つまり、燃焼ガスの温度が高圧タービン３Ｈの構成材料の限界温度となるよう設計し制御している。

　制御装置１２は、大気温度が設計値よりも高くなった場合、周波数変換器制御装置１１を介して周波数変換器１０の動作を制御し、電動機９に順方向（圧縮機１の回転方向と同方向）の駆動力を生じさせる。このとき、電動機９により、第１回転軸４Ｈを介して圧縮機１の回転がアシストされる。

　このように、圧縮機１に取り込む外気の温度が設計値よりも高い場合には、相対的に空気の密度が低くなる。この場合、燃焼ガスによるタービンへの仕事が減るので回転速度が下がり、圧縮機の空気流量が減るので燃焼温度が上がってしまい、高圧タービン翼の温度も高くなる。高圧タービンには温度制約があるため、比較例では、燃料を絞ることになり、結果として特性線Ａ２に示すように出力・効率が低下する。

　これに対し、本実施の形態においては、電動機９により、第１回転軸４Ｈを介して圧縮機１の回転をアシストすることによって燃焼器に供給される空気流量を増やすことができ、その結果、燃料をより多く投入することができる。したがって、２軸式ガスタービン６の出力の大気温度特性が特性線Ａ２から特性線Ａ１に改善する。

　また、制御装置１２は、大気温度が設計値よりも低くなった場合、周波数変換器制御装置１１を介して周波数変換器１０の動作を制御し、電動機９に逆方向（圧縮機１の回転方向と逆方向）の駆動力を生じさせる。このとき、電動機９により、第１回転軸４Ｈを介して圧縮機１の回転が制動される。

　このように、圧縮機１に取り込む外気の温度が設計値よりも低い場合には、相対的に空気の密度が高くなる。この場合、燃焼ガスによるタービンへの仕事が増えるので回転速度が上がってしまう。圧縮機１には回転速度における制約があるため燃料を絞ることになり、結果として特性線Ｂ２に示すように出力・効率が低下する。

　これに対し、本実施の形態においては、電動機９により、第１回転軸４Ｈを介して圧縮機１の回転を制動することによって燃焼器２に供給される空気流量を絞ることができ、その結果、燃焼ガスの温度を上昇させることができる。したがって、２軸式ガスタービン６の出力の大気温度特性が特性線Ｂ２から特性線Ｂ１に改善する。

　（異常時制御）
異常制御装置２２は、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断から接続に切り換えるよう制御し、その他の場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断状態に制御する。また、異常制御装置２２は、外部系統５０の電圧異常を検出した場合には、異常時制御信号を周波数変換器制御装置１１に送ることにより周波数変換器１０を制御し、電動器９の回転駆動を制御することにより、高圧タービン３Ｈから第１回転軸４Ｈを介して見た電動機９による負荷が相対的に減るように制御する。異常制御装置２２は、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、電動機９が高圧タービン３Ｈに与えるトルクを電圧異常の発生前に比べて増やす、または、高圧タービン３Ｈからの電動機９の発電量を電圧異常の発生前に比べて減らすように制御する。

　ここで、外部系統５０の電圧異常が生じた場合の異常制御装置２２の異常時制御について、図８～図１０を参照しつつさらに詳細に説明する。

　図８は、実線１０１で示した電圧変化が生じた場合の、２軸式ガスタービン６、および同期発電機７の物理量を示す図である。

　図８に示すように、２軸式ガスタービン６の出力は、外部系統５０の電圧変化によらずほぼ一定値である。２軸型ガスタービン６は大きな機械装置であり、圧縮空気の流量と燃焼ガスの温度で出力が決まるので、出力変化の時定数は長くなる。したがって、２軸式ガスタービン６は外部系統５０に０．２ｓｅｃ程度の時間で生じる急峻な出力変化に追随しない。なお、緊急遮断により、１～２秒程度の時間で２軸式ガスタービン６の出力を０（ゼロ）にすることはできるが、逆に急に出力増やすことはできない。したがって、緊急遮断を行わない場合の２軸式ガスタービン６の出力は一定と考える。

　同期発電機７の電気出力については、外部系統５０の事故により一時的に出力が送れなくなる。その結果、同期発電機７において余剰入力が生じる。この余剰入力と異常継続時間との積は、同期発電機７における回転エネルギーとなる。また、同期発電機７の回転加速度は、その回転エネルギーと同期発電機７の慣性とで決まる。したがって、異常発生時において、異常継続時間が短い場合や、同期発電機７の慣性が大きい場合には、同期発電機の回転速度は変化が小さくなる。そして、異常発生時における同期発電機７の加速が少なければ、同期発電機７は回転子の位相は系統周波数に対して少し進むだけで済む。この位相のズレは、外部系統５０の電圧の復帰時に同期化力が働くことにより、減少しながら元の状態に戻る。

　同期発電機７における同期化力Ｐは、同期発電機７の誘起電圧Ｅ、同期リアクタンスＸｄ、端子電圧Ｖと誘起電圧Ｅの間の位相角である負荷角σを用いて以下の（式１）で表される。

　　　　Ｐ＝Ｅ＾２／（２＊Ｘｄ）ｃｏｓσ　・・・（式１）

　ここで、負荷角σは、外部系統５０の電圧位相と誘起電圧Ｅの位相、すなわち、２極発電機の場合には、発電機回転子８の回転角度そのものである。上記（式１）からわかるように、負荷角σ＝９０°において、同期化力Ｐ＝０（ゼロ）になる。同期発電機７は、通常運転時においては負荷角σ≒４０°で運転している。したがって、同期化力が働く（Ｐ＞０となる）ためには、外部系統５０の電圧が異常から復帰した時の回転子の角度が、異常前の回転子の角度に対して数十度の範囲である必要がある。

　外部系統５０の異常発生での同期発電機７の加速によって、回転子の位相のずれが上位範囲を超えてしまった場合には、同期化力Ｐが働かないので同期発電機７は一気に加速し、外部系統５０の周波数との同期ずれが生じる（図１０参照）。この状態を脱調と呼ぶ。同期発電機７は、脱調状態においては発電できない。

　図８においては、発電機位相がπ／２よりも小さいため、同期発電機７は同期化力Ｐによって異常発生前の同期状態に戻る。

　図９は、破線１０２で示した電圧変化が生じた場合の、２軸式ガスタービン６、および同期発電機７の物理量を示す図である。

　前述のように、異常制御装置２２は、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断から接続に切り換えるよう制御し、その他の場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断状態に制御する。また、異常制御装置２２は、外部系統５０の電圧異常を検出した場合には、異常時制御信号を周波数変換器制御装置１１に送ることにより周波数変換器１０を制御し、電動器９の回転駆動を制御することにより、高圧タービン３Ｈから第１回転軸４Ｈを介して見た電動機９による負荷が相対的に減るように制御する。異常制御装置２２は、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、電動機９が高圧タービン３Ｈに与えるトルクを電圧異常の発生前に比べて増やす、または、高圧タービン３Ｈからの電動機９の発電量を電圧異常の発生前に比べて減らすように制御する。通常運転時には、電動機９は圧縮機１に対してアシストしている場合もあるし、制動している場合もある。電動機９が圧縮機１をアシストしている場合に外部系統５０の電圧異常を検出すると、電動機９はアシスト量を増やし、また、アシスト量が上限の場合にはそのアシスト量をキープする。なお、電動機９は数秒程度の短時間であれば緊急時を条件として定格出力の２倍程度を出すことが可能であるため、アシスト量を瞬間的に増やすことができる。また、電動機９が圧縮機１を制動している場合に外部系統５０の電圧異常を検出すると、電動機９による発電量を減らす、あるいは、圧縮機１のアシストに切換えることで、異常発生前の状態より低圧タービン３Ｌ側の余剰エネルギーが減ることになる。

　図９に示すように、異常制御装置２２は、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、電圧異常の発生から遅れｔ４秒後に、電動機９を制御して、圧縮機１の回転をアシストする。つまり、時間ｔ４以降においては、同期発電機７の出力電力を、電動機９を介する形で圧縮機１に送ることになるので、同期発電機７で生じた余剰入力は実線にそって変化する。また、圧縮機１は電動機９によってアシストされるため、回転速度は実線のように増加する。ただし、圧縮機１の消費動力は回転速度の２～３乗であるので、加速はしにくく速度変化は少ない。

　以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。

　２軸式ガスタービンは、ポンプや発電機等の被駆動機を駆動する低圧タービンと、その低圧タービンの作動ガスを発生させるガスジェネレータ（圧縮機と高圧タービン）とを異なる回転数で運転することができる。そのため、例えば、被駆動機の回転数がガスタービン側の定格回転数より低い場合でも、圧縮機と高圧タービンとを高速回転させ、低圧タービンにおける膨張仕事能力がより一層高い作動ガスを発生させることにより高効率化を図るということもできる。

　しかしながら、従来技術における２軸式ガスタービでは、高圧タービンの温度制約や、圧縮機の回転速度における遠心力上の機械的制約があり、これらの制約によって結果的に効率の低下が生じる場合がある。すなわち、例えば、圧縮機で取り込む外気の温度が設計値よりも高い場合には、相対的に空気の密度が低くなる。この場合、燃焼ガスによるタービンへの仕事が減るので回転速度が下がり、圧縮機の空気流量が減るので燃焼温度が上がってしまい、高圧タービン翼の温度も高くなる。高圧タービンには温度制約があるため燃料を絞ることになり、結果として出力・効率が低下する。また、圧縮機で取り込む外気の温度が設計値よりも低い場合には、相対的に空気の密度が高くなる。この場合、燃焼ガスによるタービンへの仕事が増えるので回転速度が上がってしまう。圧縮機には回転速度における制約があるため燃料を絞ることになり、結果として出力・効率が低下する。

　これに対し、本実施の形態においては、外部系統５０に出力する電力を指示する電力出力指令値１８に基づいて、周波数変換器１０を制御する周波数変換器制御装置１１と調速機１３とを制御することにより、２軸式ガスタービン６と電動機９の合計出力を制御するように構成したので、外気温度の変化による効率の低下を抑制することができる。

　また、従来技術における２軸式ガスタービン発電システムにおいては、外部系統の異常発生時には、２軸式ガスタービンを外部系統から切り離して（解列）保護していた。しかしながら、風力などの再生可能エネルギーの導入が進むなかで、電力系統全体が不安定になることも予め想定されており、従来技術のように外部系統の異常発生時に、ある一つの発電機が自らの装置を保護するため解列を始めると、その分だけ系統全体の電圧が下がり、連鎖的に他の発電機へ解列が広がって、大規模停電が発生することが懸念されている。

　このような事態に対応するため、欧州や中国では、風力発電機や太陽光発電などの分散電源には、異常発生時にも運転継続（Fault-Ride Through：FRT）機能を求める規格が策定されている。このようなＦＲＴに対応する規格をグリッドコードという。つまり、グリッドコードとは、電力系統の安定に責任ある事業者が発電業事業者に求める規格で、発電機端の電圧が、このグリッドコード内に入っている場合には、その系統に繋がれている発電機を解列してはならないというものである。そして、このような対応は、集中電源の汽力発電機、ガスタービン発電機にも求められている。

　しかしながら、短絡などの系統事故時には、一時的に同期発電機はガスタービンから受け取ったエネルギーを外部系統に送れなくなる。すると、その間の同期発電機への余剰入力で同期発電機の回転速度が加速し、同期状態から外れる、いわゆる脱調を起こす恐れがある。脱調状態においては発電できず、また、一度、脱調すると再び発電可能になるまでに数分～十分の時間がかかるため、運転継続は不可能であった。したがって、運転継続機能の確保のためには、同期発電機を脱調させないことが必要であった。

　これに対して本実施の形態においては、異常制御装置２２は、外部系統５０の電圧がグリッドコードを逸脱する電圧異常を検出した場合には、異常時制御信号を周波数変換器制御装置１１に送ることにより周波数変換器１０を制御し、電動器９の回転駆動を制御することにより、高圧タービン３Ｈから第１回転軸４Ｈを介して見た電動機９による負荷が相対的に減るように制御するように構成した。つまり、外部系統５０の異常発生時に、低圧軸に繋がれた同期発電機７側のエネルギーを、電動機９を介して圧縮機１側に瞬時に移動させるように構成したので、同期発電機７の加速による脱調発生を抑制することができ、同期発電機７の同期運転の継続性を向上することができる。

　また、異常制御装置２２は、外部系統５０に電圧異常が生じたと判定した場合には、抵抗回路２１の切換装置５０１を遮断から接続に切り換えるよう構成したので、同期発電機７からの余剰出力が減少し、脱調しにくくなる。

　また、外部系統５０の電圧異常が発生した場合に生じる同期発電機７の余剰電力を、電動機９による電力制御と、抵抗回路２１による消費の二つの方法を組み合わせることができるので、脱調の抑制に必要な電動機９の容量および周波数変換器１０の容量を小さくすることができ、コストの削減を図ることが出来る。

　＜第１の実施の形態の変形例＞
本発明の第１の実施の形態の変形例を図面を参照しつつ説明する。

　第１の実施の形態においては、図２に示したような電動機９を用いたが、これに代えて、図１１に示すような電動機９Ａを用いても良い。

　図１１において、電動機９Ａは、固定子２３０と回転子２５０とを備えている。固定子２３０は、ハウジング２１２に収められている。固定子２３０は、ハウジングに固定された固定子鉄心２３０と、固定子鉄心２３０に固定された固定子巻線２３８とから構成されている。また、回転子２５０は、シャフト２１８と、シャフト２１８に固定された回転子鉄心２５２と、回転子鉄心２５２の中に埋め込まれた導電性バー２５５と、導電性バー２５５に電気的に繋がれたエンドリングとから構成されている。その他の構成は、第１の実施の形態の電動機９と同様である。以上のように構成した本変形例においても、第１の実施の形態の形態と同様の効果を得ることができる。

　また、第１の実施の形態においては、図３に示すように、外部系統５０側（すなわち、同期発電機７側）と電動機９側の両方に、交流電力の直流化及び直流電力の交流化を行う変換器４０２，４０３を設けた周波数変換器１０を用いた場合について説明したが、これに限られず、周波数変換器１０に代えて、図１２に示す周波数変換器１０Ａを用いても良い。

　図１２において、周波数変換器１０Ａは、外部系統５０側（すなわち、同期発電機７側）の交流電力を直流化する整流器４０１と、直流化した電力を交流化して電動機９側に伝達する変換器４０２と、変換器４０３と変換器４０２の間での電力の変動分を平滑化するコンデンサ４０４とを備えている。この場合には、電動機９は圧縮機１に対するアシスト機能のみを持つ構成となる。整流器４０１は、交直変換と直交変換の両方の機能を有する変換器４０３よりも簡単であり、コストを抑制することができるという利点がある。なお、電動機９が圧縮機１に対する制動機能のみを持つ構成とする場合には、外部系統５０側を変換器４０２とし、電動機９側を整流器とすることもできる。

　＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１３を参照しつつ説明する。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

　第１の実施の形態では、第１回転軸４Ｈと電動機９、及び、第２回転軸４Ｌと同期発電機７とをギアを介さずに機械的に接続した場合について説明したが、本実施の形態では、ギアを介して機械的に接続した場合のものである。

　図１３に示すように、低圧タービン３Ｌに接続された第２回転軸４Ｌと同期発電機７とは、減速機２４を介して機械的に接続されている。また、圧縮機１及び高圧タービン３Ｈに接続された第１回転軸４Ｈと電動機９とは、減速機２３を介さずに機械的に接続されている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

　以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

　また、２軸式ガスタービン６の圧縮機１の回転速度と電動機９の回転速度が一致しない場合においては、電動機９側の回転数を対応させるために別に電動機を用意する必要があり、コストが増加してしまうという問題があった。これに対し、本実施の形態においては、減速機２３を介して電動機９と圧縮機１を接続するように構成したので、電動機９には汎用の電動機を用いることができ、コストの増加を抑制することができる。また同様に、減速機２４を介して同期発電機７と低圧タービン３Ｌを接続するように構成したので、同期発電機２４には汎用的な同期発電機を用いることができ、コストの増加を抑制することができる。

１　圧縮機
２　燃焼器
３Ｈ，３Ｌ　ガスタービン
４Ｈ　第１回転軸
４Ｌ　第２回転軸
５　流量調整弁、入口案内翼（ＩＧＶ）
６　２軸式ガスタービン
７　同期発電機
８　発電機回転子
９，９Ａ　電動機
１０，１０Ａ　周波数変換器
１１　周波数変換器制御装置
１２　制御装置
１３　調速器
１４　ＡＶＲ
１５　遮断機
１６　電圧計
１７　外気状態計測装置（気温計、気圧計、湿度計）
１８　電力指令値
１９Ａ，１９Ｂ　変圧器
２０Ａ，２０Ｂ　電流センサ
２１　抵抗回路
２２　異常制御装置
２３　減速機
２４　減速機
２６　電力伝達経路
５０　外部系統
１０１　異常時電圧時間変化
１０２　異常時電圧時間変化
２０１　グリッドコード
２１２　電動機ハウジング
２１４　電動機エンドブラケット
２１６　ベアリング
２１８　シャフト
２２２　ギャップ
２２３　回転速度検出器
２２４　磁極位置検出器
２３８　固定子巻線
２３０　固定子
２３２　固定子鉄心
２５０　回転子
２５２　回転子鉄心
２５４　永久磁石
２５５　導電性バー
２５６　エンドリング
４０１　整流器
４０２，４０３　変換器（インバータ、コンバータ）
４０４　コンデンサ
５０１　切換装置
５０２　抵抗器

Claims

　空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機（１）と、
　前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器（２）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ガスタービン（３Ｈ）と、
　前記圧縮機と前記高圧ガスタービンとを繋ぐ第１回転軸（４Ｈ）と、
　前記第１回転軸に繋がれた電動機（９）と、
　前記圧縮機に取り込まれる空気の量を調整することにより前記高圧ガスタービンの出力を制御する調速機（１３）と、
　前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービン（４Ｌ）と、
　前記低圧ガスタービンに繋がれた第２回転軸（４Ｌ）と、
　前記第２回転軸に繋がれた同期発電機（７）と、
　外部系統（５０）に接続された前記同期発電機と前記電動機との間で電力を伝達する電力伝達経路（２３）上に設けられ、伝達される電力の周波数を変換する周波数変換器（１０）と、
　前記外部系統に出力する電力を指示する電力出力指令値に基づいて、前記周波数変換器を制御する周波数変換器制御装置（１１）と前記調速機とを制御することにより、前記ガスタービンと前記電動機の合計出力を制御する制御装置（１２）と
を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記圧縮機（１）に取り込まれ空気の状態を計測する外気状態計測装置（１７）を備え、
　前記制御装置（１２）は、前記電力出力指令値と、前記外気状態計測装置の計測結果とに基づいて、前記周波数変換器を制御する周波数変換器制御装置（１１）と調速機とを制御することにより、前記ガスタービンと前記電動機の合計出力を制御することを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１又は２記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記同期発電機（７）から前記外部系統（５０）に出力される電圧を変換する変圧器（１９Ａ）と、
　前記変圧器を介して前記外部系統に伝達される電力を遮断可能に設けられた遮断機（１５）と、
　前記遮断器における前記外部系統側の電圧を測定する電圧測定装置（１６）と、
　予め定めた外部系統の電圧異常の基準値と前記電圧測定装置の測定結果との比較結果に基づいて、前記外部系統に生じた電圧異常を検出し、電圧異常を検出した場合には、前記高圧タービン（３Ｈ）から前記第１回転軸（４Ｈ）を介して見た前記電動機（９）による負荷が相対的に減るように前記周波数変換器制御装置（１１）を制御する異常制御装置（２２）と
を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１又は２記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記同期発電機（７）から前記外部系統（５０）に出力される電力の圧力を変換する変圧器（１９Ａ）と、
　前記変圧器を介して前記外部系統に伝達される電力を遮断可能に設けられた遮断機（１５）と、
　前記遮断器における前記外部系統側の電圧を測定する電圧測定装置（１６）と、
　前記同期発電機と前記変圧器の間に並列接続され、前記同期発電機及び前記変圧器との接続と遮断とを切り換える切換装置（５０１）を設けた抵抗回路（２１）と、
　予め定めた外部系統の電圧異常の基準値と前記電圧測定装置の測定結果との比較結果により前記外部系統に生じた電圧異常を検出し、電圧異常を検出した場合には、前記抵抗回路の切換装置を遮断から接続に切り換える異常制御装置（２２）と
を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項３記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記同期発電機（７）と前記変圧器（１９Ａ）の間に並列接続され、前記同期発電機及び前記変圧器との接続と遮断とを切り換える切換装置（５０１）を設けた抵抗回路（２１）を備え、
　前記異常制御装置（２２）は、前記外部系統に生じた電圧異常を検出した場合には、前記抵抗回路の切換装置を遮断から接続に切り換えることを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～５の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記電動機（９）は、
　固定子鉄心（２３２）と、該固定子鉄心に巻回された固定子巻線（２３８）とを有する固定子（２３０）と、
　複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心（２５２）と、前記磁石挿入孔の内部に保持された磁極を形成するための複数の永久磁石（２５４）とを有し、前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子（２５０）と
を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～５の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記電動機（９）は、
　固定子鉄心（２３２）と、該固定子鉄心に巻回された固定子巻線（２３８）とを有する固定子（２３０）と、
　複数の導電性バー挿入孔が形成された回転子鉄心（２５２）と、前記電動性バー挿入孔の内部に挿入され、軸の両端でそれぞれエンドリングにより電気的に接続された電動性バー（２５５）とを設けた回転子（２５０）と
を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～７の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記電力変換器（１０）は、前記同期発電機（７）側と前記電動機（９）側の両方に接続され、電力を交流から直流に変換する機能と直流から交流に変換する機能とを有する変換器（４０２，４０３）を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～７の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記電力変換器（１０）は、前記同期発電機（７）側と前記電動機（９）側の何れか一方に接続され、電力を交流から直流に変換する機能と直流から交流に変換する機能とを有する変換器（４０２）と、他方に接続され、電力を交流から直流に変換する整流器（４０１）とを備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～９の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記圧縮機（１）に接続された前記第１回転軸（４Ｈ）と前記電動機（９）とは、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２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～１０の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記低圧タービン（３Ｌ）に接続された前記第２回転軸（４Ｌ）と前記同期発電機（７）とは、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２軸式ガスタービン発電システム。
　請求項１～１１の何れか１項に記載の２軸式ガスタービン発電システムにおいて、
　前記電動機（９）の容量は、前記同期発電機（７）の容量よりも小さいことを特徴とする２軸式ガスタービン発電システム。
　空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機（１）と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器（２）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ガスタービン（３Ｈ）と、前記圧縮機と前記高圧ガスタービンとを繋ぐ第１回転軸（４Ｈ）と、前記第１回転軸に繋がれた電動機（９）と、前記圧縮機に取り込まれる空気の量を調整することにより前記高圧ガスタービンの出力を制御する調速機（１３）と、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービン（４Ｌ）と、前記低圧ガスタービンに繋がれた第２回転軸（４Ｌ）と、前記第２回転軸に繋がれた同期発電機（７）と、外部系統（５０）に接続された前記同期発電機と前記電動機との間で電力を伝達する電力伝達経路（２３）上に設けられ、伝達される電力の周波数を変換する周波数変換器（１０）とを備えたガスタービンシステムの制御方法であって、
　前記外部系統に出力する電力を指示する電力出力指令値に基づいて、前記周波数変換器を制御する周波数変換器制御装置（１１）と前記調速機とを制御することにより、前記ガスタービンと前記電動機の合計出力を制御する手順を有することを特徴とするガスタービンシステムの制御方法。
　請求項１３記載のガスタービンシステムの制御方法において、
　前記同期発電機（７）から前記外部系統（５０）に出力される電力の圧力を変換する変圧器（１９Ａ）と、前記変圧器を介して前記外部系統に伝達される電力を遮断可能に設けられた遮断機（１５）とを備えたガスタービンシステムの制御方法であって、
　前記遮断器における前記外部系統側の電圧を測定する手順と、
　予め定めた外部系統の電圧異常の基準値と前記電圧の測定結果との比較結果に基づいて、前記外部系統に生じた電圧異常を検出する手順と、
　電圧異常を検出した場合に、前記高圧タービン（３Ｈ）から前記第１回転軸（４Ｈ）を介して見た前記電動機（９）による負荷が相対的に減るように前記周波数変換器制御装置（１１）を制御する手順と
を有することを特徴とするガスタービンシステムの制御方法。
　空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機（１）と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器（２）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ガスタービン（３Ｈ）と、前記圧縮機と前記高圧ガスタービンとを繋ぐ第１回転軸（４Ｈ）と、前記第１回転軸に繋がれた電動機（９）と、前記圧縮機に取り込まれる空気の量を調整することにより前記高圧ガスタービンの出力を制御する調速機（１３）と、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービン（４Ｌ）と、前記低圧ガスタービンに繋がれた第２回転軸（４Ｌ）と、前記第２回転軸に繋がれた同期発電機（７）と、外部系統（５０）に接続された前記同期発電機と前記電動機との間で電力を伝達する電力伝達経路（２３）上に設けられ、伝達される電力の周波数を変換する周波数変換器（１０）とを備えたガスタービンシステムの制御装置であって、
　前記外部系統に出力する電力を指示する電力出力指令値に基づいて、前記周波数変換器を制御する周波数変換器制御装置（１１）と前記調速機とを制御することにより、前記ガスタービンと前記電動機の合計出力を制御することを特徴とするガスタービンシステムの制御装置。
　請求項１５記載のガスタービンシステムの制御装置において、
　前記同期発電機（７）から前記外部系統（５０）に出力される電力の圧力を変換する変圧器（１９Ａ）と、前記変圧器を介して前記外部系統に伝達される電力を遮断可能に設けられた遮断機（１５）と、前記遮断器における前記外部系統側の電圧を測定する電圧測定装置（１６）とを備えたガスタービンシステムの制御装置であって、
　予め定めた外部系統の電圧異常の基準値と前記電圧測定装置の測定結果との比較結果に基づいて、前記外部系統に生じた電圧異常を検出し、電圧異常を検出した場合には、前記高圧タービン（３Ｈ）から前記第１回転軸（４Ｈ）を介して見た前記電動機（９）による負荷が相対的に減るように前記周波数変換器制御装置（１１）を制御することを特徴とするガスタービンシステムの制御装置。