(57)【要約】  発電に加え、電力の供給及び吸収の一方を繰り返す。ガスタービン発電システムは、第一回転軸と、圧縮機と、燃焼器と、燃焼ガスを受けて回転することにより第一回転軸を駆動する第一タービンと、第一回転軸に繋がれた回転電機と、空気の量を調整することにより、圧縮機の速度を制御する調速機と、回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器と、ガスタービン発電システムの出力の要求を取得し、要求に基づいて燃焼器を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、周波数変換器に対し、要求に基づいて回転電機の回転速度を変化させる周波数変換器制御を行い、回転電機は、回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行い、コントローラは、調速機に対し、回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行う。
2016098220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン発電システムであって、
第一回転軸と、
前記第一回転軸の回転に応じて空気を加圧することにより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することにより前記第一回転軸を駆動する第一タービンと、
前記第一回転軸に繋がれた回転電機と、
前記空気の量を調整することにより、前記圧縮機の速度を制御する調速機と、
前記回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器と、
前記ガスタービン発電システムの出力の要求を取得し、前記要求に基づいて前記燃焼器を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記周波数変換器に対し、前記要求に基づいて前記回転電機の回転速度を変化させる周波数変換器制御を行い、
前記回転電機は、前記回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行い、
前記コントローラは、前記調速機に対し、前記回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行う、
ガスタービン発電システム。
【請求項２】
第二回転軸と、
前記第一タービンから流出する燃焼ガスを受けて回転することにより前記第二回転軸を駆動する第二ガスタービンと、
電力線を介して前記電力系統及び前記周波数変換器に接続され、前記第二回転軸の回転に応じて発電する発電機と、
を更に備える、
請求項１に記載のガスタービン発電システム。
【請求項３】
前記要求は、前記ガスタービン発電システムの出力の時間変化を示す指令値を含み、
前記コントローラは、前記指令値を平滑化することにより第一指令値を算出し、前記指令値から前記第一指令値を減ずることにより第二指令値を算出し、前記燃焼器に対し、前記発電機の出力を前記第一指令値に合わせる燃焼器制御を行い、前記周波数変換器に対し、前記第二指令値に応じて前記回転速度を変化させる前記周波数変換器制御を行う、
請求項２に記載のガスタービン発電システム。
【請求項４】
前記周波数変換器及び前記発電機の間に電力線を介して接続される変圧器を更に備え、
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、前記発電機の出力を降圧して前記周波数変換器へ出力する、
請求項３に記載のガスタービン発電システム。
【請求項５】
前記調速機は、前記圧縮機における空気の入口に設けられた翼を含み、前記コントローラからの指令に基づいて前記翼の角度を変更する、
請求項４に記載のガスタービン発電システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記周波数変換器制御の期間中、前記調速機制御を停止させる、
請求項１に記載のガスタービン発電システム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記周波数変換器制御の期間中、前記調速機制御を行う、
請求項１に記載のガスタービン発電システム。
【請求項８】
前記回転電機は、前記第一回転軸の回転に応じて発電する、
請求項１に記載のガスタービン発電システム。
【請求項９】
ガスタービン発電システムの制御方法であって、
第一回転軸と、前記第一回転軸の回転に応じて空気を加圧することにより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することにより前記第一回転軸を駆動する第一タービンと、前記第一回転軸に繋がれた回転電機と、前記空気の量を調整することにより、前記圧縮機の速度を制御する調速機と、前記回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器とを備える前記ガスタービン発電システムに対し、前記ガスタービン発電システムの出力の要求を取得し、
前記要求に基づいて前記燃焼器を制御し、
前記周波数変換器に対し、前記要求に基づいて前記回転電機の回転速度を変化させる周波数変換器制御を行い、
前記回転電機により、前記回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行い、
前記調速機に対し、前記回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行う、
ことを備える制御方法。
【請求項１０】
ガスタービン発電システムの制御装置であって、
第一回転軸と、前記第一回転軸の回転に応じて空気を加圧することにより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することにより前記第一回転軸を駆動する第一タービンと、前記第一回転軸に繋がれた回転電機と、前記空気の量を調整することにより、前記圧縮機の速度を制御する調速機と、前記回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器と、を含む前記ガスタービン発電システムに対し、前記ガスタービン発電システムの出力の要求を取得する取得部と、
前記要求に基づいて前記燃焼器を制御する燃焼器制御部と、
前記周波数変換器に対し、前記要求に基づいて前記回転電機の回転速度を変化させる周波数変換器制御を行うことにより、前記回転電機に、前記回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行わせる周波数変換器制御部と、
前記調速機に対し、前記回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行う調速機制御部と、
を備える制御装置。
【請求項１１】
ガスタービン発電システムの制御装置であって、
第一回転軸と、前記第一回転軸の回転に応じて空気を加圧することにより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することにより前記第一回転軸を駆動する第一タービンと、前記第一回転軸に繋がれた回転電機と、前記空気の量を調整することにより、前記圧縮機の速度を制御する調速機と、前記回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器と、前記燃焼器を制御し、前記調速機に対し、前記回転電機の回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行うガスタービン制御装置と、を含む前記ガスタービン発電システムに対し、前記ガスタービン発電システムの出力の要求を取得する取得部と、
前記周波数変換器に対し、前記要求に基づいて前記回転速度を変化させる周波数変換器制御を行うことにより、前記回転電機に、前記回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行わせる周波数変換器制御部と、
を備える制御装置。
【請求項１２】
ガスタービン発電システムの制御方法であって、
第一回転軸と、前記第一回転軸の回転に応じて空気を加圧することにより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することにより前記第一回転軸を駆動する第一タービンと、前記第一回転軸に繋がれた回転電機と、前記空気の量を調整することにより、前記圧縮機の速度を制御する調速機と、前記回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器と、前記燃焼器を制御し、前記調速機に対し、前記回転電機の回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行うガスタービン制御装置と、を含む前記ガスタービン発電システムに対し、前記ガスタービン発電システムの出力の要求を取得し、
前記周波数変換器に対し、前記要求に基づいて前記回転速度を変化させる周波数変換器制御を行うことにより、前記回転電機に、前記回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行わせる、
ことを備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電、太陽光発電などの再生可能エネルギーが普及していくと、それらの発電出力の変動により、電力系統全体が不安定になることが懸念されている。これに対し、従来の火力発電機の出力を変化させて、負荷を平準化することが必要になる。火力発電機の中で、ガスタービン発電は石炭火力発電よりも起動時間が短く、負荷変化率も大きく取れるため、再生可能エネルギーの出力変動を平準化できると期待されている。【０００３】
発電機等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には、回転型圧縮機から送られた圧縮空気を燃焼器で膨張させ、その燃焼ガスによって高圧タービンを駆動してその駆動力で圧縮機が自律回転する第一の回転軸と、高圧タービンの下流側に別軸で設置された低圧タービンが発電機を駆動する第二の回転軸を有する二軸式ガスタービンが開示されている。【０００４】
特許文献２では、短時間の電力バランスを取るためにエネルギーの貯蔵装置として、フライホイール装置の利用方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６５６３６号公報
【特許文献２】特開昭５８−６３０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フライホイールは、回転体の回転速度を上下させることにより、回転の運動エネルギーを吸収及び放出する。周波数変換器（インバータ）駆動のモータが、回転体の回転速度を変えると、この回転体の運動エネルギーの変化分だけ、周波数変換器を介して電気エネルギーを放出及び吸収することができる。フライホイールの電力指令に対する応答は、モータのトルク制御の応答時間と等しいため、フライホイールの時定数は、大きくても１００ｍｓ程度であり、非常に高速である。しかし、フライホイールは、回転体を用いているため、停止又は過回転になるとそれ以上の充放電はできない。回転速度の許容範囲をΔＮ、その間の運動エネルギーの変化分をΔＥとすると、任意の充放電出力波形の時間積分値がΔＥに達しないように制御する必要がある。【０００７】
したがって、このような蓄電装置は、連続的に同方向のパルス出力及び入力をするような用途に利用できない。充放電により回転速度が上下限に達すると、その反対方向の指令が来るまで、動作させることができない。フライホイールは正負が規則的に入れ替わる充放電は可能だが、電力需要の変化を平準化する目的の場合、充放電指令を予測できないので、利用に当たって制限が大きく実用的でない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一態様であるガスタービン発電システムは、第一回転軸と、前記第一回転軸の回転に応じて空気を加圧することにより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することにより前記第一回転軸を駆動する第一タービンと、前記第一回転軸に繋がれた回転電機と、前記空気の量を調整することにより、前記圧縮機の速度を制御する調速機と、前記回転電機及び電力系統の間に電力線を介して接続され、電力の周波数を変換する周波数変換器と、前記ガスタービン発電システムの出力の要求を取得し、前記要求に基づいて前記燃焼器を制御するコントローラと、を備える。前記コントローラは、前記周波数変換器に対し、前記要求に基づいて前記回転電機の回転速度を変化させる周波数変換器制御を行い、前記回転電機は、前記回転速度の変化に応じて電力の供給又は吸収を行い、前記コントローラは、前記調速機に対し、前記回転速度を基準値に合わせる調速機制御を行う。
【発明の効果】
【０００９】
発電に加え、電力の供給及び吸収の一方を繰り返すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１に係るガスタービン複合発電システムの構成を示す。
【図２】第一比較例の回転速度制御を示す。
【図３】変換器制御装置２０Ｂにおけるモータ制御系を示す。
【図４】第二比較例のフライホイール制御を示す。
【図５】負荷要求の配分を示す。
【図６】ガスタービン複合発電システムの第一制御方法を示す。
【図７】ガスタービン複合発電システムの第二制御方法を示す。
【図８】本発明の実施例２に係るガスタービン複合発電システムの構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施例では、二軸式ガスタービンを用いるガスタービン複合発電システムについて説明する。【００１３】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービン複合発電システムの構成を示す。【００１４】
この図において、本実施例のガスタービン複合発電システムは、二軸式のガスタービン２Ｂと、ガスタービン２Ｂにより駆動される同期発電機３と、ガスタービン２Ｂに繋がれた電動機９と、電動機９の電力の周波数を変換する周波数変換器６とを含む。以後、ガスタービン複合発電システムを、発電システムと呼ぶことがある。【００１５】
ガスタービン２Ｂ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１１と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器１０と、燃焼器１０で得られた燃焼ガスにより駆動される高圧タービン１Ｈと、圧縮機１１と高圧タービン１Ｈとを繋ぐ第一回転軸４Ｈと、高圧タービン１Ｈを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧タービン１Ｌと、低圧タービン１Ｌに繋がれた第二回転軸４Ｌとを含む。【００１６】
このガスタービン２Ｂの第二回転軸４Ｌと、同期発電機３がギアを介さずに機械的に接続されている。なお、第二回転軸４Ｌと、同期発電機３は、ギアを介して接続されていてもよい。【００１７】
一方、このガスタービン２Ｂの第一回転軸４Ｈと、電動機９はギアを介さずに機械的に接続されている。電動機９は第一回転軸４Ｈの加減速を行うため、ギアを用いないことで信頼性を高めることができる。【００１８】
次に、発電システムとしての電気的構成を説明する。同期発電機３は、電力伝達経路（電力線）３１と、電圧を変換する変圧器８１Ａと、電力の伝達を遮断可能にするために設けられた遮断器６１Ａと、電力伝達経路３２とを介して、外部の系統１００（電力系統）に繋がれている。電動機９は、電力伝達経路３３と、周波数変換器６と、電力伝達経路３４と、変圧器８１Ｂと、遮断器６１Ｂと、電力伝達経路３５とを介して、電力伝達経路３１に接続されている。電力伝達経路３１、３２、３３、３４、３５は、三相電線である。【００１９】
ここで、電動機９及び周波数変換器６の容量は、同期発電機３の容量より小さい。また、周波数変換器６は、変圧器８１Ｂの低圧側に接続されており、同期発電機３は、変圧器８１Ｂの高圧側に接続されている。即ち、電動機９から電力を出力する場合、電動機９の出力は、変圧器８１Ｂにより昇圧されて系統１００へ出力され、電動機９へ電力を入力する場合、同期発電機３の出力は、変圧器８１Ｂにより降圧されて電動機９へ入力される。【００２０】
本実施例の動作を説明する。同期発電機３は、系統１００内の電源の交流周波数と同期して回転しているため、その回転速度は常に一定である。一般に回転電機の出力は回転速度とトルクで一意的に決まるが、このように同期発電機３の回転速度は一定であるから、同期発電機３の出力を増減させるにはトルクを変化させる。そのトルクは低圧タービン１Ｌから得られる。つまり、発電システムの出力が変化すると、低圧タービン１Ｌのトルクが変わる。第二回転軸４Ｌの速度は不変である。【００２１】
一方、第一回転軸４Ｈは第二回転軸４Ｌと直接に繋がっていない。高圧タービン１Ｈと低圧タービン１Ｌは同じ燃焼ガスが通ることでエネルギー的に繋がっているだけであり、第一回転軸４Ｈの回転速度は可変である。この回転速度は以下のように決まる。圧縮機１１が回転にすることによって、機内の羽が空気を内部に取込んで圧縮していく。空気を圧縮するためには、圧縮機１１を回転させる駆動力が必要である。一方、燃焼器１０からの膨張した燃焼ガスは、高圧タービン１Ｈに当たり、回転力を生む。燃焼ガスの噴出エネルギーが、圧縮機１１を駆動する動力を上回ると、このエンジンは自律回転を始める。低圧タービン１Ｌの回転による同期発電機３の出力が定格出力になり、かつ、高圧タービン１Ｈの回転力と圧縮機１１を駆動するために必要な動力とが釣り合うと、第一回転軸４Ｈの回転速度は、設計値で定められる基準回転速度となる。【００２２】
本実施例のガスタービン２Ｂは、圧縮機１１の入口に、第一回転軸４Ｈの速度を制御するための入口案内翼１２（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）を含む。このＩＧＶ１２は、圧縮機１１に取り込まれる空気流量を調整できるように、翼の角度を可変に制御するものである。ＩＧＶ１２を閉じれば、圧縮機に入る空気量が減り、この結果、圧縮機１１を駆動するための動力が小さくてすむため、第一回転軸４Ｈの回転速度を上げることができる。逆に、ＩＧＶ１２を開くと、圧縮機１１に取り込む空気量が増えるため、圧縮機１１を駆動するための動力が増え、第一回転軸４Ｈの回転速度が下がる。このように発電システムは、ＩＧＶ１２のように第一回転軸４Ｈの回転速度を調節する調速機（回転速度調整手段）を持っている。【００２３】
本実施例の発電システムは、ガスタービン２Ｂの制御を行うガスタービン制御装置２０Ａを含む。ガスタービン制御装置２０Ａは、燃料制御装置２０１Ａと、ＩＧＶ制御装置２０２Ａとを含む。燃料制御装置２０１Ａは、燃焼器１０の噴射燃料量を制御することにより、発電システムの出力を指令値に合わせる燃焼器制御を行う。ＩＧＶ制御装置２０２ＡはＩＧＶ１２の角度を制御することにより、第一回転軸４Ｈの回転速度を、予め設定された基準値に調整する回転速度制御（調速機制御）を行う。ガスタービン制御装置２０Ａは、燃焼器１０の燃焼温度と、速度センサ８により計測される第一回転軸４Ｈの回転速度と、発電機電力計４２Ａにより計測される発電システムの出力とを受け取り、フィードバック制御に用いる。【００２４】
この図において、システム制御装置２０とガスタービン制御装置２０Ａの間の破線、燃料制御装置２０１Ａと燃焼器１０の間の破線、ＩＧＶ制御装置２０２ＡとＩＧＶ１２の間の破線、システム制御装置２０と変換器制御装置２０Ｂの間の破線、変換器制御装置２０Ｂと周波数変換器６の間の破線の夫々は、計測及び制御のための信号線を示す。また、電流センサ４２Ａから燃料制御装置２０１Ａへの破線、速度センサ８から燃料制御装置２０１Ａへの破線、速度センサ８から変換器制御装置２０Ｂへの破線、電流センサ４１から変換器制御装置２０Ｂへの破線、電流センサ４２Ｂから変換器制御装置２０Ｂへの破線の夫々は、計測のための信号線を示す。【００２５】
以下、電動機９を用いない二軸式ガスタービンの発電システムを第一比較例として、回転速度制御について説明する。【００２６】
図２は、第一比較例の回転速度制御を示す。【００２７】
この図において、横軸は、時刻を示し、縦軸は、第一比較例の発電システムの出力（GT Output）と、圧縮機の回転速度（Comp. Speed）と、ＩＧＶ角度（IGV Angle）と、噴射燃料量（Fuel）とを示す。時刻ｔ０からｔ１までにおいて、なんらかの理由で圧縮機の回転速度が下がった場合に、第一比較例の発電システムのガスタービン制御装置は、回転速度制御を行うことにより、圧縮機の回転速度に応じてＩＧＶ１２の角度を閉じる。その結果、時刻ｔ２で回転速度が基準値に戻る様子を示している。このとき、第一比較例の発電システムの出力を一定とすれば、圧縮機の回転速度が下がった分を元に戻すためのエネルギーは、燃焼エネルギーからもらってくることになるため、噴射燃料量も増えることになる。【００２８】
本実施例の発電システムは、第一回転軸４Ｈに接続された電動機９を含み、このような回転速度制御の他に、電動機９のトルク制御（周波数変換器制御）を行う。【００２９】
この電動機９は交流電動機であり、周波数変換器６の交流の周波数によって可変速駆動される。変換器制御装置２０Ｂは、周波数変換器６に与える周波数を可変にする。電動機９の回転速度は、速度センサ８により変換器制御装置２０Ｂへフィードバックされる。【００３０】
周波数変換器６は、電動機９側のインバータ６Ａと、系統１００側のインバータ６Ｂとを含み、インバータ６Ａの直流側とインバータ６Ｂの直流側とは直流で繋がれている。変換器制御装置２０Ｂは、インバータ６Ａの交流周波数を変えることで、電動機９の回転速度を変えることができる。一方、変換器制御装置２０Ｂは、インバータ６Ｂの交流を、常に系統１００の交流と同期させる。変換器制御装置２０Ｂがトルク制御をかけると、電動機９の回転速度が変わる。この結果、フライホイールの原理と同様に、電動機９は、第一回転軸４Ｈが持っている回転の運動エネルギーを電気エネルギーとして入出力することができる。つまり、トルクとその時の回転速度の２乗との積が電動機９の入出力となるので、変換器制御装置２０Ｂがトルク制御をしている間、第一回転軸４Ｈが持っている運動エネルギーが増減する。第一回転軸４Ｈの回転速度範囲が蓄電可能なエネルギーに相当する。第一回転軸４Ｈに繋がれている圧縮機１１の定格回転速度は、例えば５，０００から４０，０００ｒｐｍまでである。一方、圧縮機１１にはサージなどの問題から運転速度範囲の制限があり、定格速度から１〜２割程度しか下げられない場合もある。また、遠心力に対する強度設計の面から、回転速度の上限は、定格速度の１２０％程度である。したがって、このシステムで可変できる回転速度範囲は、実際には多くとも定格速度の８０〜１２０％程度である。【００３１】
図３は、変換器制御装置２０Ｂにおけるモータ制御系を示す。【００３２】
モータ制御系は、電流センサ４１で計測された電流Ｉを電流制御器ＡＣＲ（Automatic Current Regulator）でフィードバック制御する。電流は磁束とトルクに線形に変換されることができるので、電流の制御がトルク制御となる。モータ制御系は、電動機９の電力の指令値Ｐｍ＊をトルクの指令値Ｔｑ＊に変換し、トルクの指令値Ｔｑ＊を電流の指令値Ｉ＊に変換する。モータ制御系は更に、電流の指令値に対し、計測された電流Ｉの偏差を算出し、ＡＣＲにより偏差を低減する電圧Ｖを算出し、算出された電圧Ｖを電流Ｉに変換し、電流Ｉの指示を周波数変換器６へ出力する。周波数変換器６は、指示された電流を電動機９に流す。第一回転軸４Ｈの回転速度の変化は、第一回転軸４Ｈの慣性次第だが、トルクを与えることは、電流を変化させることである。したがって、トルク制御の応答は、電動機９の電力の入出力応答に等しくなる。これにより、変換器制御装置２０Ｂは、高速に電力を制御できる。【００３３】
以下、フライホイールを第二比較例として、フライホイール制御について説明する。【００３４】
図４は、第二比較例のフライホイール制御を示す。【００３５】
この図において、横軸は、時刻を示し、縦軸は、フライホイールの入出力電力（Power）と、フライホイールの回転速度（Speed）とを示す。更に縦軸は、回転速度の上限（Max.）と下限（Min.）を示す。フライホイールが時刻ｔ０から一定の電力を出力すると、フライホイールの回転速度は下がり、時刻ｔ１で回転速度が下限に達すると、出力を止めなければならない。このため、時刻ｔ２からｔ３にかけてフライホイールに電力を入力し、回転速度を基準値に戻す必要がある。つぎの時刻ｔ４からフライホイールが電気エネルギーを吸収すると、回転速度は上昇し、時刻ｔ５で上限に達する。したがって、時刻ｔ６からフライホイールから電気エネルギーを放出して回転速度を下げなければならない。つまり、ＷＡとＷＢが同じ面積になるように入出力を制御しないと回転速度が基準値に戻らない。同様に、ＷＣとＷＤも同じ面積となるように制御する必要がある。このように、フライホイールは、入力のエネルギーと出力のエネルギーとを同じに保ちつづける必要があるため、連続的に入力、あるいは出力できないのはもちろん、断続的に入力を繰り返す、あるいは断続的に出力を繰り返すこともできない。【００３６】
以下、本実施例の発電システムに対する負荷要求について説明する。【００３７】
図５は、負荷要求の配分を示す。【００３８】
システム制御装置２０は、中央給電指令所等、外部から、発電システムの出力の要求である負荷要求を受信する。この図において、横軸は、時刻を示し、縦軸は、負荷要求ＰＣに示された電力と、システム制御装置２０からガスタービン制御装置２０Ａへの指令ＰＡに示された電力と、システム制御装置２０から変換器制御装置２０Ｂへの指令ＰＢに示された電力とを示す。この図の例において、発電システムへの負荷要求ＰＣに対し、ガスタービン制御装置２０Ａによる同期発電機３の出力制御は、負荷要求ＰＣの時間変化に追従することができないとする。このため、システム制御装置２０は、負荷要求ＰＣを平滑化することにより、時間変化を緩やかにした指令ＰＡを算出し、これをガスタービン制御装置２０Ａに与える。例えば、システム制御装置２０は、負荷要求ＰＣに対して予め定められた時間長の移動平均を行うことにより、負荷要求ＰＣを平滑化する。更にシステム制御装置２０は、指令ＰＡと実際の負荷要求ＰＣとの差分を指令ＰＢとして算出し、これを変換器制御装置２０Ｂに与える。【００３９】
ガスタービン制御装置２０Ａは、指令ＰＡに従って燃焼器１０の噴射燃料量を制御することにより、同期発電機３の出力を指令ＰＡに合わせる。変換器制御装置２０Ｂは、指令ＰＢに従って周波数変換器６による電動機９の入出力を制御することにより、電動機９の入出力を指令ＰＢに合わせる。これにより、発電システムは、系統１００への出力を負荷要求に合わせることができる。指令ＰＢは急激に変化する成分であるため、システム制御装置２０は、高速に電力制御可能な電動機９の出力を指令ＰＢに追従させる。このようにシステム制御装置２０は、負荷要求ＰＣを、低速な同期発電機３と、高速な電動機９とに分配することができる。なお、システム制御装置２０は、指令ＰＡの算出において、移動平均の代わりに、ローパスフィルタやバンドパスフィルタを用いて負荷要求ＰＣを平滑化してもよい。【００４０】
電動機９を用いて電力を入出力すると圧縮機１１の回転速度が変化するため、一定の時間が経過すれば、発電システムの出力が変わる。しかし、ガスタービン内部の作動ガス量は膨大で、バッファとなるため、出力は急速には変化しない。例えば一般的なガスタービン発電システムの出力の変化速度は１分間に定格出力の１０％程度である。したがって、さらに高速な負荷変化に対して、ガスタービン発電システムの出力は一定と見なすことができ、同期発電機３の出力の指令ＰＡと、電動機９の入出力の指令ＰＢとは、互いに独立に制御可能である。【００４１】
図６は、ガスタービン複合発電システムの第一制御方法を示す。【００４２】
この図において、横軸は、時刻を示し、縦軸は、電動機９の入出力の電力（Power）と、圧縮機１１の回転速度（Speed）と、ＩＧＶ角度（IGV Angle）と、噴射燃料量（Fuel）とを示す。図示されている期間において、同期発電機３の出力は変わらないとする。変換器制御装置２０Ｂは、電動機電力計４２Ｂにより計測される電動機９から系統１００への出力を取得する。この図における電動機９の入出力の電力の符号について、正の電力は、電動機９がガスタービン２Ｂの負荷となることにより、電動機９が系統１００へ出力する場合を示し、負の電力は、同期発電機３の出力の一部が電動機９へ給電され、圧縮機１１の駆動力をアシストする場合である。時刻ｔ０からｔ１の間、変換器制御装置２０Ｂが、トルク制御により、電動機９からパルス状に一定値を出力させた場合、それに従って回転速度が下がり、回転速度が下限に達した後、変換器制御装置２０Ｂは、電動機９の出力を止める。この時刻ｔ０とｔ１の間、ガスタービン制御装置２０Ａは、回転速度制御を止めておく。ガスタービン制御装置２０Ａが時刻ｔ１から回転速度制御を有効にすると、ＩＧＶ１２を閉じて回転速度を上昇させる。回転速度が基準値に戻ると、ガスタービン制御装置２０Ａは、ＩＧＶ１２を元の角度に戻す。このように、変換器制御装置２０Ｂがトルク制御を行うことにより電動機９が電力を出力しているときに、ガスタービン制御装置２０Ａは回転速度制御を止める。また、回転速度が上限あるいは下限になったときに、変換器制御装置２０Ｂはトルク制御を止め、ガスタービン制御装置２０Ａは回転速度制御により回転速度を復帰させる。このような制御により、周波数変換器６は、正の電力として電動機９からのパルス出力を断続的に繰り返すことができる。同様に、周波数変換器６は、負の電力として電動機９へのパルス入力を断続的に繰り返すことができる。また、システム制御装置２０は、トルク制御の期間中に回転速度制御を止めることにより、簡単で安定な制御を行うことができる。【００４３】
図７は、ガスタービン複合発電システムの第二制御方法を示す。【００４４】
この図において、横軸と縦軸は図６と同様である。第二制御方法は、時刻ｔ０からトルク制御とガスタービンの回転速度制御を有効にする。ここでも、図示されている期間内は同期発電機３の出力が変化しないとする。第一制御方法では、時刻ｔ０から、変換器制御装置２０Ｂがトルク制御により電動機９に電力を出力させると、回転速度がＳＡのように急激に下がり、時刻ｔ１で下限に達し、電動機９が電力を出力できない場合がある。一方、第二制御方法は、時刻ｔ０以後も、トルク制御の期間に関わらず、回転速度制御を行うことにより、その速度低下を抑えられるため、回転速度変化がＳＢのように緩やかになる。その結果、第一制御方法より長い時間、電動機９から出力することが可能となる。【００４５】
なお、本実施例では、調速機の例としてＩＧＶ１２を挙げたが、調速機は、高圧タービン１Ｈと低圧タービン１Ｌの駆動力バランスを調節可能な他の手段、たとえば、高圧タービン１Ｈと低圧タービン１Ｌの間のバイパス管を設け、その流量の調整弁であっても、適応可能であることは言うまでも無い。【００４６】
本実施例によれば、電動機９は、周波数変換器６から入力される電気エネルギーを、高圧タービン４Ｈ及び圧縮機１の運動エネルギーに変換し、高圧タービン４Ｈ及び圧縮機１の運動エネルギーを、周波数変換器９へ出力する電気エネルギーに変換することができる。これにより、変換器制御装置２０Ｂは、周波数変換器９に対し、電動機９の回転速度を変化させるトルク制御を行うことにより、電動機９に電力の供給又は吸収を行わせることができる。また、ガスタービン制御装置２０Ａは、ＩＧＶ１２に対し、回転速度を基準値に合わせる回転速度制御を行うことにより、トルク制御により変化した回転速度を基準値に戻すことができる。これにより、電動機９は、電力の入出力の一方を繰り返すことができる。
【実施例２】
【００４７】
本実施例では、一軸式ガスタービンを用いるガスタービン複合発電システムについて説明する。【００４８】
図８は、本発明の実施例２に係るガスタービン複合発電システムの構成を示す。【００４９】
この図において、実施例１で示された要素と同一の符号が付された要素は、実施例１で示された要素と同一又は相当物を示す。実施例１の発電システムと比較すると、実施例２の発電システムは、ガスタービン２Ｂの代わりにガスタービン２Ｘを含み、周波数変換器６の代わりに周波数変換器６Ｘを含み、電力伝達経路３１の代わりに電力伝達経路３１Ｘ、３１Ｙを含み、速度センサ８の代わりに速度センサ８Ｘを含む。【００５０】
ガスタービン２Ｂと比較すると、ガスタービン２Ｘは、高圧タービン１Ｈ及び低圧タービン１Ｌの代わりにタービン１Ｘを含み、第一回転軸４Ｈ及び第二回転軸４Ｌの代わりに回転軸４Ｘを含む。タービン１Ｘは、ギアを介さずに回転軸４Ｘに機械的に接続されている。回転軸４Ｘは、ギアを介さずに同期発電機３に機械的に接続されている。回転軸４Ｘは更に、ギアを介さずに圧縮機１１に機械的に接続されている。タービン１Ｘは、燃焼器１０で得られた燃焼ガスにより駆動される。【００５１】
同期発電機３の出力は、電力伝達経路３１Ｘを介して周波数変換器６Ｘへ入力される。この入力に基づく周波数変換器６Ｘの出力は、電力伝達経路３１Ｙを介して変圧器８１Ａへ入力される。速度センサ８Ｘは、同期発電機３の回転数を計測し、変換器制御装置２０Ｂへ出力する。【００５２】
一軸式のガスタービン２Ｘを可変速運転すると、同期発電機３の周波数が変わってしまうため、系統１００に連系するためには、周波数を変換する必要がある。この場合、周波数変換器６Ｘは、同期発電機３と同じ容量を持つ必要がある。本実施例でも、変換器制御装置２０Ｂが周波数変換器６Ｘを制御するトルク制御を行うことにより、回転速度変化分のエネルギーの入出力が可能である。本実施例においても、第一制御方法と同様、回転速度制御とトルク制御を互いに異なるタイミングで行うことは可能であり、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、本実施例においても、第二制御方法と同様、回転速度制御とトルク制御を同時に行うことで、回転速度そのものの変化幅を小さくできることも同様である。【００５３】
本実施例によれば、電動機９は、周波数変換器６から入力される電気エネルギーを、タービン４Ｘ及び圧縮機１の運動エネルギーに変換し、タービン４Ｘ及び圧縮機１の運動エネルギーを、周波数変換器９へ出力する電気エネルギーに変換することができる。【００５４】
一方、実施例１では、周波数変換器６を小さくすることが可能である。実施例１では発電システムの出力の大部分は同期発電機３から出力されるため、それとは別の電力伝達経路３５にある周波数変換器６の容量は任意に決められる。一般に発電システムの全発電容量に対し、高速な電力制御が要求される容量の割合は小さい。仮に高速に電力を調節する容量を全容量の１／１０とすれば、周波数変換器６の容量は全発電容量の１／１０で済む。これにより、電力変換器のコストを下げることができる。容量の違う電気機器は通常、電圧が異なるので、実施例１の同期発電機３と周波数変換器６の間には変圧器８１Ｂと遮断器６１Ｂが設けられ、変圧器８１Ｂは、同期発電機３と周波数変換器６の電圧を変換している。【００５５】
実施例２では、周波数変換器６Ｘが故障するとシステムが止まってしまうが、実施例１は、周波数変換器６が故障しても、遮断器６１Ｂを開いて電力伝達経路３５からの電力を止めれば、発電システムはガスタービン制御装置２０Ａによる発電制御が可能である。このように実施例１によれば、周波数変換器６の故障に対して運転継続が可能である。【００５６】
以上の各実施例の発電システムは、ガスタービンの回転軸に設けられた電動機を含み、それを周波数変換器で駆動する。回転体はガスタービンの圧縮機とタービンであり、これを電動機で可変速運転することにより、フライホイール同様に高速な応答で電力の充放電ができる。ガスタービンは原動機であるから、調速機を持っている。電動機の運転により変化した回転速度を、このガスタービンの調速機により基準値に戻せば、電動機は再び正負どちらの方向にも充放電が可能となり、電動機の入出力の一方を断続的に繰り返すことができる。【００５７】
本発明の表現のための用語について説明する。第一回転軸は、第一回転軸４Ｈ及び回転軸４Ｘの何れかを含んでもよい。第一タービンは、高圧タービン１Ｈ及びタービン１Ｘの何れかを含んでもよい。回転電機は、電動機９及び同期発電機３の何れかを含んでもよい。調速機は、ＩＧＶ１２を含んでもよい。コントローラは、システム制御装置２０、ガスタービン制御装置２０Ａ、及び変換器制御装置２０Ｂを含んでもよい。第二ガスタービンは、低圧タービン１Ｌを含んでもよい。制御装置は、システム制御装置２０、ガスタービン制御装置２０Ａ、及び変換器制御装置２０Ｂを含んでもよい。取得部は、システム制御装置２０を含んでもよい。燃焼器制御部は、燃料制御装置２０１Ａを含んでもよい。調速機制御部は、ＩＧＶ制御装置２０２Ａを含んでもよい。周波数変換器制御部は、変換器制御装置２０Ｂを含んでもよい。ガスタービン制御装置は、ガスタービン制御装置２０Ａを含んでもよい。制御装置は、システム制御装置２０及び変換器制御装置２０Ｂを含んでもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１Ｈ…高圧タービン、  １Ｌ…低圧タービン、  １Ｘ…タービン、  ２Ｂ…ガスタービン、  ２Ｘ…ガスタービン、  ３…同期発電機、  ４Ｈ…第一回転軸、  ４Ｌ…第二回転軸、  ４Ｘ…回転軸、  ６…周波数変換器、  ６Ａ…インバータ、  ６Ｂ…インバータ、  ６Ｘ…周波数変換器、  ８…速度センサ、  ８Ｘ…速度センサ、  ９…電動機、  １０…燃焼器、  １１…圧縮機、  １２…入口案内翼、  ２０…システム制御装置、  ２０Ａ…ガスタービン制御装置、  ２０Ｂ…変換器制御装置、  ４１…電流センサ、  ４２Ａ…発電機電力計、  ４２Ｂ…電動機電力計、  ６１Ａ…遮断器、  ６１Ｂ…遮断器、  ８１Ａ…変圧器、  ８１Ｂ…変圧器、  １００…系統、  ２０１Ａ…燃料制御装置、  ２０２Ａ…ＩＧＶ制御装置
【図１】
2016098220.tif 000003
【図２】
2016098220.tif 000004
【図３】
2016098220.tif 000005
【図４】
2016098220.tif 000006
【図５】
2016098220.tif 000007
【図６】
2016098220.tif 000008
【図７】
2016098220.tif 000009
【図８】
2016098220.tif 000010
【国際調査報告】
2016098220.tif 000011
2016098220.tif 000012
2016098220.tif 000013
2016098220.tif 000014