(57)【要約】【課題】  ガスタービン発電機の加速性能の向上やエネルギ貯蔵手段の小型化等を実現する運転制御装置を提供する。【解決手段】  制御装置８は、現在の回転速度Ｎｅに基づき、ガスタービンエンジン２が比較的高効率かつ低エミッションの運転が可能となる発生電力量Ｑｏｕｔを回転速度−発生電力量マップから検索した後、要求電力量Ｑｄｅｍと発生電力量Ｑｏｕｔとの差Ｑｄｉｆｆを算出する。次に、ガスタービンエンジン２の現在の回転速度Ｎｅと要求電力量Ｑｄｅｍとに基づき付加電力量Ｑｍを設定する。次に、差Ｑｄｉｆｆに付加電力量Ｑｍを加算して目標補助電力量Ｑａｓｓｔを得た後、補助電力コマンドＣａｓｓｔをパワーコントロールユニット７に出力する。【選択図】      図２
2006274868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン発電機と、電力を貯蔵するエネルギ貯蔵手段と、前記ガスタービン発電機の発生電力を外部負荷装置および前記エネルギ貯蔵手段に分配するパワーコントロールユニットとを備えたガスタービン発電システムに設けられ、
前記ガスタービン発電機の発電量と前記外部負荷装置の要求電力量との差に基づき、前記ガスタービン発電機の運転モードを定常運転モードと加速運転モードとの間で切り換える運転モード切換手段と、
前記要求電力量が増大し、前記ガスタービン発電機の運転モードが前記運転モード切換手段によって定常運転モードから加速運転モードに切り換えられた場合、前記パワーコントロールユニットを用いて当該要求電力量と前記発電量との差に所定の付加電力量を加えた加速時補助電力を前記エネルギ貯蔵手段から前記負荷装置に供給することを特徴とするガスタービン発電機の運転制御装置。
【請求項２】
前記付加電力量は、前記ガスタービン発電機の回転数と前記要求電力量とに応じて設定されることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン発電機の運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン発電機の運転制御装置に係り、エネルギ貯蔵手段の小型化を図りながら、ガスタービン発電機の加速性能の向上等を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電機は、負荷装置に供給するための電力を発生するだけでなく、その排熱を暖房や温水の熱源として回収しやすいことから、コージェネレーションシステム用発電機としての採用が進められている。ガスタービン発電機では、原動機であるガスタービンエンジンの内部温度を限界運転温度（リミット値）近傍に維持することにより、高効率かつ低エミッションでの運転が可能となるため、その回転速度を負荷装置の要求電力量に応じて変化させるように制御される。すなわち、負荷装置の要求電力量が増加した場合、燃料の供給量を増加させることにより、ガスタービン発電機の回転速度を要求電力に見合う値（目標回転速度）まで上昇させる制御が行われている。
【０００３】
ガスタービン発電機では、回転要素（タービンロータやコンプレッサインペラ、シャフト等）の慣性質量が大きいために加速性が悪く、内部温度がリミット値近傍となるように運転されて供給燃料量の増加マージンが少ないことも相俟って、要求電力量の急増時に回転速度が目標回転速度に到達するまでに時間遅れ（タイムラグ）が発生する。そこで、要求電力量の急増時には、加速時の不足発電量を補完すべく、ガスタービン発電機に付設されたバッテリ装置（エネルギ貯蔵手段）から負荷装置に電力を供給する方法が採られている。
【０００４】
バッテリ装置から負荷装置への電力供給方法としては、図５に示すように、ガスタービン発電機をリミット値近傍で運転しながら、ガスタービン発電機の発電量が要求電力量に到達するまで、要求電力量と発電量との差をバッテリ装置から負荷装置に供給するもの（第１の方法）と、図６に示すように、ガスタービン発電機の発電を一時的に中止し、ガスタービン発電機の回転速度が目標回転速度に到達するまで、バッテリ装置から負荷装置に要求電力の全量を供給するもの（第２の方法：特許文献１参照）とが知られている。
【特許文献１】特表２００１−５２７１８０号公報（段落００２２、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した第１の方法では、ガスタービン発電機をリミット値近傍で運転するため、前述したように回転速度の上昇が非常に鈍くなり、バッテリ装置から負荷装置への電力供給を長時間継続して行う必要がある。これにより、バッテリ装置が供給すべき電力の総量（図５中にハッチングで示す面積に相当）が大きくなり、バッテリ装置として蓄電容量の大きな大型のものが必要となる。
【０００６】
また、第２の方法では、負荷装置に要求電力の全量を供給するため、バッテリ装置が供給する電力の総量（図６中にハッチングで示す面積に相当）は少なくなるものの、要求電力量と発電量との差が大きい場合にはバッテリ装置が負荷装置に大きな電力を供給しなければならず、バッテリ装置として大電流放電が可能なやはり大型のものが必要となる。また、加速時には、負荷が無くなることによりガスタービン発電機の内部温度が低下し、ガスタービンエンジンの効率低下やエミッションの増加が避けられなかった。
【０００７】
バッテリ装置に用いられるバッテリには一般にエネルギ密度の小さく重量の大きな鉛蓄電池が用いられるため、その大型化はコージェネレーションシステムの大型化や大重量化をもたらすことになり、改善が望まれていた。更に、特許文献２の方法では、要求電力量と発電量との差が大きい場合にはバッテリ装置が過大な電流を放電することがあり、バッテリの発熱やそれに伴う寿命低下等が起こる虞もあった。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、エネルギ貯蔵手段の小型化を図りながら、ガスタービン発電機の加速性能の向上等を実現する運転制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明に係るガスタービン発電機の運転制御装置は、ガスタービン発電機と、電力を貯蔵するエネルギ貯蔵手段と、前記ガスタービン発電機の発生電力を外部負荷装置および前記エネルギ貯蔵手段に分配するパワーコントロールユニットとを備えたガスタービン発電システムに設けられ、前記ガスタービン発電機の発電量と前記外部負荷装置の要求電力量との差に基づき、前記ガスタービン発電機の運転モードを定常運転モードと加速運転モードとの間で切り換える運転モード切換手段と、前記要求電力量が増大し、前記ガスタービン発電機の運転モードが前記運転モード切換手段によって定常運転モードから加速運転モードに切り換えられた場合、前記パワーコントロールユニットを用いて当該要求電力量と前記発電量との差に所定の付加電力量を加えた加速時補助電力を前記エネルギ貯蔵手段から前記負荷装置に供給することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明に係るガスタービン発電機の運転制御装置は、請求項１に記載のガスタービン発電機の運転制御装置において、前記付加電力量は、前記ガスタービン発電機の回転数と前記要求電力量とに応じて設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、エネルギ貯蔵手段の小型化とガスタービン発電機の加速性の向上とを両立させることができ、装置コストや重量の低減が可能となる。また、請求項２の発明によれば、付加電力量を適切な値とすることにより、ガスタービンエンジンの高効率かつ低エミッションでの運転が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明を適用した小型ガスタービン発電システムの一実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスタービン発電システムの概略構成図であり、図２は同実施形態に係る補助電力設定ロジックを示すブロック図であり、図３は同実施形態に係る加速時補助電力供給制御の手順を示すフローチャートであり、図４は同実施形態における発電量やバッテリ出力の変化を示すグラフである。
【００１３】
≪ガスタービン発電システムの構成≫
図１に示すように、ガスタービン発電システム１は、原動機であるガスタービンエンジン２、ガスタービンエンジン２に燃料を供給する燃料供給弁３、ガスタービンエンジン２により駆動される交流発電機４、蓄電手段であるバッテリ装置５、交流発電機４やバッテリ装置５を負荷装置６に連係させるパワーコントロールユニット７、ガスタービン発電システム１の運転制御を行う制御装置８を主要構成要素としている。ガスタービンエンジン２には燃焼器入口の空気温を検出する空気温センサ９が付設されており、この空気温センサ９の検出結果が制御装置８に出力される。また、交流発電機４にはその回転速度（すなわち、ガスタービンエンジン２の回転速度）を検出する回転速度センサ１０が付設されており、この回転速度センサ１０の検出結果も制御装置８に出力される。
【００１４】
パワーコントロールユニット７は、交流発電機４の出力制御を行うべく、交流発電機４から出力された交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、コンバータ部が変換した直流電力やバッテリ装置５に蓄えられた直流電力を商用電力に変換するインバータ部を備えている。また、制御装置８は、マイクロコンピュータやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース、各種ドライバ等から構成されており、ＲＯＭ内に格納した種々の制御プログラムに基づき燃料供給弁３やパワーコントロールユニット７等を駆動制御する。
【００１５】
≪実施形態の作用≫
ガスタービン発電システム１の運転時に、制御装置８は、図２の補助電力設定ロジックに基づき、図３のフローチャートにその手順を示す加速時補助電力供給制御を行う。
【００１６】
加速時補助電力供給制御を開始すると、制御装置８は、先ず、図３のステップＳ１で、パワーコントロールユニット７から入力した負荷装置６の要求電力量Ｑｄｅｍに基づき、負荷−回転速度マップからガスタービンエンジン２（すなわち、交流発電機４）の目標回転速度を検索して回転速度コマンドＣｎｅを出力する。次に、制御装置８は、ステップＳ２で、回転速度コマンドＣｎｅと回転速度センサ１０から入力したガスタービンエンジン２の現在の回転速度Ｎｅとを比較し、その差が所定のモード切換閾値ΔＮｅｔｈより大きいか否かを判定する。そして、この判定がＮｏであれば、制御装置８は、ステップＳ３で定常モードに設定した後（すなわち、バッテリ装置５から負荷装置６への補助電力の供給は行わず）、スタートに戻って制御を繰り返す。
【００１７】
回転速度コマンドＣｎｅと現在の回転速度Ｎｅとの差がモード切換閾値ΔＮｅｔｈを超え、ステップＳ２の判定がＹｅｓになると、制御装置８は、ステップＳ４で加速モードに設定し、バッテリ装置５から負荷装置６に補助電力の供給を行えるようにする。次に、制御装置８は、ステップＳ５で、現在の回転速度Ｎｅに基づき、ガスタービンエンジン２が比較的高効率かつ低エミッションの運転が可能となる負荷（交流発電機４の発生電力量Ｑｏｕｔ）を回転速度−発生電力量マップから検索した後、ステップＳ６で要求電力量Ｑｄｅｍと発生電力量Ｑｏｕｔとの差Ｑｄｉｆｆを算出する。
【００１８】
次に、制御装置８は、ステップＳ７で、ガスタービンエンジン２の現在の回転速度Ｎｅと要求電力量Ｑｄｅｍとに基づき、図示しないマップや演算式を用いて付加電力量Ｑｍを設定する。付加電力量Ｑｍは、現在の回転速度Ｎｅに対して要求電力量Ｑｄｅｍが大きい場合には大きくするが、ガスタービンエンジン２の高効率かつ低エミッションでの運転を阻害しない範囲に設定される。
【００１９】
次に、制御装置８は、ステップＳ８で、差Ｑｄｉｆｆに付加電力量Ｑｍを加算して目標補助電力量Ｑａｓｓｔを得た後、ステップＳ９で補助電力コマンドＣａｓｓｔをパワーコントロールユニット７に出力する。
【００２０】
制御装置８は、回転速度コマンドＣｎｅとガスタービンエンジン２の現在の回転速度Ｎｅとを一致させるように燃料供給弁３を制御する一方、補助電力コマンドＣａｓｓｔをパワーコントロールユニット７に出力してバッテリ装置５から負荷装置６に補助電力を供給させる。これにより、図４のグラフに示すように、交流発電機４の発電量が減少し、負荷の小さくなったガスタービンエンジン２が速やかに目標回転速度Ｎｅｔに到達し、バッテリ装置５から供給する電力の総量も少なくなる。
【００２１】
本発明者等が実機試験を行ったところ、１ｋＷの加速マージンをもって部分負荷で運転していた場合、要求電力量Ｑｄｅｍが１０ｋＷ増加すると、従来装置ではガスタービンエンジン２が目標回転速度Ｎｅｔに到達するまでに１０秒間を要し、バッテリ装置５から供給された電力量が５０ｋＷとなった。これに対し、本実施形態では、ガスタービンエンジン２が目標回転速度Ｎｅｔに１秒間で到達し、バッテリ装置５から供給された電力量も１５ｋＷと遙かに少なくなった。これにより、バッテリ装置５として小型・小容量のものを採用でき、ガスタービン発電システム１の体格を小さくし、製造コストを低減させることが可能となった。
【００２２】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態ではエネルギ貯蔵手段としてバッテリ装置を用いたが、キャパシタ等を採用するようにしてもよい。また、上記実施形態ではガスタービンエンジンの現在の回転速度と要求電力量とに基づいて付加電力量を設定するようにしたが、付加電力量を一定の値とするようにしてもよい。更に、ガスタービン発電システムの具体的構成や制御の具体的手順等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明が適用されたガスタービン発電システムの概略構成図である。
【図２】同実施形態に係る補助電力設定ロジックを示すブロック図である。
【図３】同実施形態に係る加速時補助電力供給制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】同実施形態における発電量やバッテリ出力等の変化を示すグラフである。
【図５】従来装置における発電量やバッテリ出力等の変化を示すグラフである。
【図６】従来装置における発電量やバッテリ出力等の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１      ガスタービン発電システム
２      ガスタービンエンジン
４      交流発電機
５      バッテリ装置
６      負荷装置
７      パワーコントロールユニット
８      制御装置
【図１】
2006274868.tif 000003
【図２】
2006274868.tif 000004
【図３】
2006274868.tif 000005
【図４】
2006274868.tif 000006
【図５】
2006274868.tif 000007
【図６】
2006274868.tif 000008