(57)【要約】  負荷変動への追従性の高い発電システムを提供する。  空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、燃焼ガスで駆動される高圧タービン２ａを有するガスジェネレータ１５と、ガスジェネレータ１５から排出されたガスで駆動する低圧タービン２ｂと、低圧タービン２ｂの回転力で発電し系統へ電力を供給する主発電機５とを有するパワータービン１６と、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６に周波数変換器１０を介して接続された電動機兼発電機である副電動機・発電機６と、制御装置２００を備え、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６が別軸構成である多軸ガスタービン発電システムにおいて、制御装置２００が、系統の負荷目標と系統の負荷変動要因の入力を受け、周波数変換器の制御信号を出力する。
2015079508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで駆動される高圧タービンを有するガスジェネレータと、
前記ガスジェネレータから排出されたガスで駆動する低圧タービンと、前記低圧タービンの回転力で発電し系統へ電力を供給する主発電機とを有するパワータービンと、
前記ガスジェネレータと前記パワータービンに周波数変換器を介して接続された電動機兼発電機と、制御装置を備え、前記ガスジェネレータと前記パワータービンが別軸構成である多軸ガスタービン発電システムにおいて、
前記制御装置が、前記系統の負荷目標と前記系統の負荷変動要因の入力を受け、前記周波数変換器の制御信号を出力するものであることを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項２】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
任意の入力値に対するガスタービン出力値を計算するガスタービン動特性モデルを有し、
前記ガスタービン動特性モデルからの出力値と大気温度の入力を受け、前記周波数変換器の制御信号を出力することを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項３】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
前記圧縮機は入口案内翼を有し、前記制御装置が、前記周波数変換器の作動により前記ガスジェネレータの回転数が変動する際に前記圧縮機を流れる空気の流量変動を抑制するように前記入口案内翼を制御することを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項４】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
前記周波数変換器が周波数を変換していない状態を基準として、
前記圧縮機が、回転数低下時に効率が向上し、回転数増加時に効率が低下するように構成されていることを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項５】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
電力需給変動を予測する手段を有し、前記電力需給変動の予測値にあわせて回転数を変更するよう構成されていることを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項６】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
負荷目標と系統周波数を満足するようにガスタービンの要求負荷とガスタービン圧縮機の駆動負荷をそれぞれ計算する手段を備えていることを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項７】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
前記系統には自然エネルギー利用発電システムが接続されており、
前記負荷変動要因が、前記自然エネルギー利用発電システムからの情報であることを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項８】
請求項１の多軸ガスタービン発電システムにおいて、
前記制御装置は、負荷変動許容幅と周波数変動許容幅の少なくともどちらかを表示装置に表示させるための信号を出力する機能を有することを特徴とする多軸ガスタービン発電システム。
【請求項９】
系統へ電力を供給する多軸ガスタービン発電システムの制御方法において、
前記多軸ガスタービンシステムが、低圧タービンと同軸に接続された主発電機と、圧縮機と同軸に接続された電動機兼発電機と、前記主発電機と前記電動機兼発電機に接続された周波数変動器を有し、
前記系統の負荷目標と前記系統の出力変動に基づき、前記周波数変動器を制御することを特徴とする多軸ガスタービン発電システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９の多軸ガスタービン発電システムの制御方法において、
前記系統には自然エネルギー利用発電システムが接続されており、前記系統の出力変動とは前記自然エネルギー利用発電システムの出力変動であることを特徴とする多軸ガスタービン発電システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項９の多軸ガスタービン発電システムの制御方法において、
燃料流量制御による負荷変動の変化量を超える出力変化が要求された場合に、前記周波数変換器により前記ガスジェネレータの回転数を変化させることを特徴とする多軸ガスタービン発電システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項９の多軸ガスタービン発電システムの制御方法において、
燃料流量を増加させつつ前記ガスジェネレータの回転数を低下させる、もしくは、燃料流量を減少させつつ前記ガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする多軸ガスタービン発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギーとガスタービンによる発電装置と組み合わせることにおいて、特に、出力変動を抑制し接続する系統の要件を満たし、且つ、運転条件に応じてガスタービンの出力と効率を向上するための制御装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントには、主に化石燃料から燃焼によって取り出された燃焼熱をもとに発電機器を駆動させて発電するが、燃料や発電機器の組合せでさまざまな装置がある。例えば、石炭や重油などをボイラで燃焼し、その燃焼熱で蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動させ発電する装置、大気を圧縮機で圧縮し燃焼器にて燃料と圧縮空気を混合燃焼させ、その燃焼空気により、ガスタービンを駆動させて発電するガスタービン発電装置や、ガスタービンで燃焼した排ガスを利用し、排熱回収ボイラにて蒸気を発生させ、その蒸気にて蒸気タービンを駆動させるコンバインドサイクル発電装置がある。【０００３】
一方、近年、二酸化炭素低減の観点から自然エネルギーを利用した再生可能エネルギー発電が注目されている。特に、風力発電や太陽光発電を利用した発電が急速に広まっている。しかしながら、自然の状況は制御することができないため、得られる発電出力は一定負荷とならず変動負荷となる。このような電源を系統に接続すると系統負荷が不安定になり、系統周波数が一定に保てなくなる。また、ガスタービンをはじめとする汽力発電は、定格運転時に効率が最大となるよう設計されるのが一般的であるため、部分負荷時の運転では、効率が低下する。【０００４】
特許文献１では、風力発電や太陽光発電の不安定電源に対し、ガスエンジンやガスタービン発電機など複数の容量の異なる電源や熱電負荷が接続された電力系統において、系統負荷に応じた発電指令の発生と熱電負荷の排熱回収量や蓄熱量を調整する制御装置が記載されている。
特許文献２では、風力発電で得られる電力を重質油改質などの複合プラントと組み合わせた場合の装置とその制御方法について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５１７４６号公報
【特許文献２】特開２００８−２８５５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
再生可能エネルギーを利用した発電設備では、その発電出力は気候の変動に影響を受けるため、負荷変動という課題がある。今後、環境の観点やエネルギー源の多様化から再生可能エネルギーの導入増加は一層加速し、負荷変動の課題はまずまず顕著化する。特許文献１および２に記載されている方法では、再生可能エネルギーにガスタービン発電装置に代表される既存の発電装置が組み合わされており、必要とされる給電量に対し余剰分を回収するための別装置がさらに設けられている。しかしながら、接続される系統の規定やルールについては考慮されていない。また、各発電装置の出力特性が考慮されていないため、負荷指令に対する実出力と再生可能エネルギーから得られる発電出力が合わさると必ずしも所望の負荷となるとは限らない。従って、再生可能エネルギーの負荷変動に対し接続系統の規制内で発電供給することに対応するのは困難である。【０００７】
本発明の目的は、負荷変動への追従性の高い発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するため、本発明は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで駆動される高圧タービンを有するガスジェネレータと、前記ガスジェネレータから排出されたガスで駆動する低圧タービンと、前記低圧タービンの回転力で発電し系統へ電力を供給する主発電機とを有するパワータービンと、前記ガスジェネレータと前記パワータービンに周波数変換器を介して接続された電動機兼発電機と、制御装置を備え、前記ガスジェネレータと前記パワータービンが別軸構成である多軸ガスタービン発電システムにおいて、前記制御装置が、前記系統の負荷目標と前記系統の負荷変動要因の入力を受け、前記周波数変換器の制御信号を出力するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、負荷変動への追従性の高い発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１実施形態による２軸ガスタービン発電装置である。
【図２】本発明の１実施形態による２軸式ガスタービンの作動パターンの例である。
【図３】本発明の１実施形態による再生可能エネルギー対応ガスタービン制御装置および方法を実現する装置を示す説明図である。
【図４】本発明の１実施形態による再生可能エネルギー対応ガスタービン制御装置および方法の中の関連情報データベース３００に記憶される計測信号の態様を示す説明図である。
【図５】本発明の１実施形態による再生可能エネルギー対応ガスタービン制御装置および方法の中の運転情報データベース６００に記憶される運転データの態様を示す説明図である。
【図６】本発明の１実施形態による制御装置内の風力発電予測部４００での風力発電設備の発電出力を予測するための機能を示す説明図である。
【図７】本発明の１実施形態による制御部での発電指令を生成するフローチャート図である。
【図８】本発明の１実施形態による制御部のフローチャートにおけるガスタービン発電装置の特性を補足説明する図である。
【図９】本発明の１実施形態による制御部のフローチャートにおける大気温度に対するM/Gへの負荷指令を設定するステップを補足説明する図である。
【図１０】本発明の１実施形態による制御部のフローチャートにおける部分負荷時のM/Gへの負荷指令を設定するステップを補足説明する図である。
【図１１】本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される初期画面である。
【図１２】本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される運転状態を表示する画面である。
【図１３】本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される計測信号、関連情報、設定条件の表示設定画面である。
【図１４】本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される各種情報のトレンドグラフである。
【図１５】本発明の第２の１実施形態による再生可能エネルギー対応ガスタービン制御装置および方法を実現する装置を示す説明図である。
【図１６】本発明の第２の１実施形態による太陽光発電予測部の機能を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、最良の実施形態による再生可能エネルギー対応ガスタービン制御装置および方法について、添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本実施形態に係る２軸ガスタービン発電装置の主要装置を説明する図である。２軸式ガスタービン２７は、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６、ＧＴ制御装置７ａ、周波数変換器１０を含むように構成される。【００１３】
パワータービン１６は、低圧タービン２ｂおよび低圧タービン軸１２ｂおよび発電機５を含むように構成される。発電用の場合、電力周波数を略一定とするために、パワータービン１６は略一定の回転数で回転し、発電機５を略一定の回転数で駆動する。発電機５で発電された電力は電力ケーブルを経て電力需要家へと送電される。【００１４】
ガスジェネレータ１５は、圧縮機１、燃焼器２０、高圧タービン２ａ、電動機兼発電機である副電動機・発電機６、ガスジェネレータ軸１２ａを含むように構成される。【００１５】
ガスジェネレータ１５は、パワータービン１６とは機械的に分離された構造となっている。そのため、パワータービンと異なる回転数で回転駆動することが可能である。【００１６】
圧縮機１は、大気を吸気し圧縮し圧縮空気２１を生成する。また、圧縮機１の取り込み口には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）９が備えられている。ＩＧＶ９は自身が回転することで、圧縮機１の開口面積を変化させる。その開度を変更することで圧縮機１へ流入する空気の量を変化させることができる。【００１７】
また、圧縮機１へ流入する空気の量は、ガスジェネレータ１５の回転数によっても調整することが可能である。【００１８】
燃焼器２０は、圧縮機１により生成された圧縮空気２１と燃料をバーナ１８において混合燃焼させて燃焼ガス２２を生成する。燃焼ガス２２は燃焼器ライナ１９を経てまず、高圧タービン２ａへ流入する。バーナ１８で燃焼される燃料は燃料配管に設けられた燃料流量制御弁８によって調整される。【００１９】
高圧タービン２ａは、高温高圧の燃焼ガス２２のエネルギーにより回転力を得る。回転力はガスジェネレータ軸１２ａを通じて圧縮機１へ伝わり、圧縮機１を回転駆動する。燃焼ガス２２は高圧タービン２ａにおいてエネルギーの一部を抽出された後にパワータービン１６の低圧タービン２ｂへ流入する。低圧タービン２ｂは、燃焼ガス２２のエネルギーにより回転力を得て、その回転力を、低圧タービン軸１２ｂを通じて発電機５へ伝え、発電機５を回転駆動する。低圧タービンを通過した燃焼ガス２２は、排気１４として排出される。【００２０】
また、圧縮機１で圧縮された空気の一部はタービン冷却空気２３として抽気され、燃焼器２０を経ずに高圧タービン２ａや低圧タービン２ｂへ供給される。冷却空気２３の一部は、タービン２を構成する静翼２４と動翼２５の冷却に使用される。【００２１】
また、高圧タービン軸１２ａに接続された副電動機・発電機６は、周波数変換器１０を介して電力系統に接続されており、電力系統と電力を授受することで、高圧タービン軸の動作を調整することができる。具体的には、周波数変換器１０により電力を供給することで副電動機・発電機６はモータとして動作し、高圧タービン軸１２ａにエネルギーを供給する。逆に周波数変換器１０により電力を抽出することで副電動機・発電機は発電機として動作し、高圧タービン軸１２ａのエネルギーを減じることができる。【００２２】
制御器７ａは、高圧タービン回転数検出器２６ａによって検出される高圧タービン回転数、低圧タービン回転数検出器２６ｂによって検出される低圧タービン回転数、出力指令（ＭＷＤ）を含む入力を受け付け、燃料流量制御弁８を制御するＦＦＤ信号、ＩＧＶ９の開度を制御するＣＩＧＶ信号、周波数変換器１０の出力電力を制御するＩＭＷＤ信号を含む信号を送出するように動作する。制御装置７ａは各種保護機能を有するように構成しても良い。【００２３】
本実施例では、燃料流量の制御による出力制御に加え、例えば出力を増加させたいときは、高圧タービン軸１２ａの回転数を低下させ、軸の回転エネルギーを電力として放出し、出力を低下させたいときは、高圧タービン軸１２ａの回転数を上昇させ電力を軸の回転エネルギーとして貯蔵することができるように構成したことである。燃料流量によらない出力変化手段により、熱疲労などに起因する寿命低下を避けつつ高い出力変化速度を得ることができる。【００２４】
さらに、本実施例による周波数変換器１０は、ガスタービン全体の出力を調整するようなものに比べ小さな容量とすることができる。本実施例による２軸ガスタービンでは、出力の大部分を担う低圧タービンは定速回転をする。周波数変換器１０による回転数調整を受けるのは、可変速運転をする高圧タービン側であり、このことから周波数変換器１０の容量を小さくすることができる。例えば、燃料流量による出力変化に加え、ガスタービン定格出力の１０％に相当する出力を変化させたい場合は、定格出力の１０％の容量の周波数変換器１０を用いることで対応できる。これにより周波数変換器１０のコストを低減することが可能である。【００２５】
以下、上記技術を実現するための２軸ガスタービン２７の動作について説明する。【００２６】
２軸ガスタービンでは高圧タービン２ａで回収されるエネルギーと圧縮機１で消費されるエネルギーが等しくなるようなバランス調整制御が行われる。一般的にこの制御手法として、ガスジェネレータ回転数の変更や、ＩＧＶ９の開度調整による圧縮機吸い込み空気流量の変更が挙げられる。例えば、回転数が設定値よりも高いときは、ＩＧＶ９の開度を増加させ、圧縮機吸い込み空気流量を増やすことで、圧縮機１の消費動力が増え、回転数が低下する。逆に、ＩＧＶ９の開度を減少させることで、ガスジェネレータ１５の回転数を増加させることができる。【００２７】
燃料流量による出力変化においては、２軸ガスタービン２７は以下の動作をする。ＧＴ出力指令（ＭＷＤ）に応じて、ＧＴ制御装置７ａは燃料流量指令（ＦＦＤ）を燃料流量制御弁８へ送出し、必要な燃料を燃焼器２０へ供給し、発電機５の出力と低圧タービン２ｂでの回収エネルギーをバランスさせる。これによりパワータービン１６の回転数は略一定に制御される。さらにこのとき、高圧タービン２ａで回収されるエネルギーと、圧縮機１の駆動に必要なエネルギーをバランスさせ、ガスジェネレータ１５の回転数が好適となるように、ＧＴ制御装置７ａはＩＧＶ９の開度を制御する。このようにガスジェネレータ１５の回転数は出力に対し一意に決められるのではなく、変更が可能である。【００２８】
本実施例によるガスタービンの動作を、図２を用いて需要が増加する場合について説明する。左側列が従来技術によるガスタービンにおいて需要変動が小さい場合、中央列が従来技術において需要変動が大きかった場合、右側列が本実施例によるガスタービンにおいて需要変動が大きかった場合の動作を表す。各列それぞれ上行から順に、縦軸として、電力需要、ＧＴ出力、系統周波数、高圧軸回転数、低圧軸回転数を示す。横軸はすべて時間を示す。【００２９】
従来技術によるガスタービンにおいて需要変動が小さい場合は、燃料流量による出力制御により需要の変動を吸収可能であるが、需要変動が大きくなった場合、出力変化が追いつかずに出力不足となり、低圧タービン軸１２ｂの回転数が低下し系統の周波数も合わせて低下する。【００３０】
本実施例によるガスタービンでは、周波数変換器１０を用いて、燃料流量による出力変化での不足分を副電動機・発電機より抽出する。燃料流量による制御だけでは電力が不足するが、本構成により、高圧タービン軸１２ａの回転数が低下し、回転エネルギーが電力へと変換されることで不足分が補填される。このとき、ＩＧＶ９の開度は、低下した回転数において圧縮機１の動力と、高圧タービン２ａの回収動力がバランスするように決定される。また、高圧タービン軸１２ａの出力周波数は、周波数変換器１０により周波数が基準周波数へと変換される。こうすることで、需要の急変時にも系統の周波数を安定化させることができる。ここで、周波数変換器１０としては、公知のインバータ/コンバータなどを利用することができる。【００３１】
圧縮機１の動力と、高圧タービン２ａの回収動力がバランスするように構成するとき、具体的には、回転数が低下した場合は、ＩＧＶ９を開き、回転数が上昇したときは、ＩＧＶ９を閉じるように動作させたとき、圧縮機１の吸い込み空気流量は略一定となる。このように制御装置が、周波数変換器１０の作動によりガスジェネレータ１５の回転数が変動する際に圧縮機１を流れる空気の流量変動を抑制するようにＩＧＶ９を制御することで、信頼性の高い運転が可能になる。【００３２】
ここで、一般にＩＧＶ９を開くと圧縮機１の効率は向上する。この時、例えば出力増加時に燃料流量を増加させつつ回転数を低下させると、圧縮機効率が向上し、圧縮機１の吐出空気温度が低下し、さらに圧縮機１の駆動動力も低下する。そのため、燃料増加による出力増加に加え、圧縮機１の駆動動力減少分も出力が増加する。さらに、吐出空気温度の低下により、燃焼ガス２２の温度も低下するため、出力変化に伴うガス温度変化を小さくすることができ信頼性を向上することができる。逆に、燃料流量を減少させつつ回転数を増加させると、圧縮機効率が低下し、圧縮機１の吐出空気温度が増加し、さらに圧縮機１の駆動動力も増加する。そのため、燃焼減少による出力低下に加え、圧縮機１の駆動動力増加分も出力が減少する。さらに、吐出空気温度の増加により、燃焼ガス２２の温度も増加するため、出力変化に伴うガス温度変化を小さくすることができ信頼性を向上することができる。このような有益な相乗効果を得ることができる。【００３３】
また、圧縮機の設計において、周波数変換器１０が周波数を変換していない状態を基準として、回転数低下時に圧縮機効率が上昇し、回転数上昇時に圧縮機効率が低下するように動作点を設定しておいても良い。こうすることで、上記と同様の有益な相乗効果を得ることができる。【００３４】
図３は、再生可能エネルギーとして風力発電を例としたものである。風力発電設備３０は、複数機の風力発電機３１からなる。風力発電設備には、風況を計測するための風速計が設けられており、風況に応じてブレードのピッチや風車の向き(ヨー)を制御する仕組みになっている。一定以上の風速を受けることで発電され、強風時はブレードで風を受けないようピッチを変え、停止する。風速に対する発電出力の特性は、風力発電装置の設計に依存する。風力発電装置で得られる風況情報や制御に必要な計測信号あるいは制御信号は、信号１２０や１３０で制御装置２００に蓄積される。【００３５】
２軸ガスタービン発電装置１００は、制御装置２００からの制御信号１５０を受けて所望の状態に制御される。２軸ガスタービン発電装置１００の各部の状態量は計測信号１４０として制御装置２００に取り込まれる。【００３６】
制御装置２００は、ガスタービン発電装置からの計測信号１４０をもとに、発電要求に対し適切な運転状態となるよう各種操作端を操作することで制御する。【００３７】
関連情報データベース３００は、風力発電の予測や現状を把握するための情報を格納する。運転情報データベース６００は、風力発電設備１０とガスタービン発電装置１００から得られた計測信号１２０と１４０をそれぞれ格納する。これらデータの形態については、後述にて、詳しく説明する。【００３８】
モデル計算部４００では、計測信号から得られる情報から風力発電出力の予測値や風力発電の変動分を相殺する信号を２軸ガスタービンに入力した際の出力値を計算する。ここで、風力発電出力の予測値を計算するために必要なデータは、例えば、外気温度、湿度などの大気情報、風速、風力発電機出力などが挙げられる。これらデータの形態については、後述にて、詳しく説明する。【００３９】
制御部５００では、モデル計算部の結果を受け適切な制御信号１３０を出力する。この制御信号に基づいて２軸ガスタービンの空気量や燃料流量が操作され出力を制御する。また、周波数変換器の制御信号についても同様である。これら制御装置内で生成した信号や情報は、必要に応じて、保守ツール９１０にも出力される。制御信号を求めるアルゴリズムについては、後述にて、詳しく説明する。【００４０】
２軸ガスタービン発電装置１００に関わるユーザは、キーボード９０１とマウス９０２で構成される入力装置９００、及び画像表示装置９５０に接続されている支援ツール９１０を用いることにより、ガスタービン発電装置１００に関する様々な情報を見ることが可能である。また、制御装置２００内の情報にアクセスすることができる。【００４１】
支援ツール９１０は、外部入力インターフェイス９２０、データ送受信処理部９３０、外部出力インターフェイス９４０で構成される。【００４２】
入力装置９００で生成した入力信号８００は、外部入力インターフェイス９２０を介して支援ツール９１０に取り込まれる。また、制御装置２００内からの情報についても、同様に外部入力インターフェイス９２０にて取り込まれる。データ送受信処理部９３０では、ユーザからの入力信号８００の情報に従って、入力信号８０１を処理し、出力信号８０２として外部出力インターフェイス９４０に送信する。出力信号８０３は、画像表示装置９５０に表示される。【００４３】
以下では、関連情報データベース３００と運転情報データベース６００に格納されている計測信号について説明する。【００４４】
はじめに、図４は、気候状態の情報の様式を示した図である。なお、本図で示す項目は風力発電に限定したものでなく太陽光発電など自然エネルギー利用発電システムを含めた場合も想定した内容である。自然エネルギー利用発電システムの特徴として、風や太陽光などに左右されるため出力変動が一定でないことが挙げられる。【００４５】
図４のように、各行にそれぞれ時間、天気、気温、風向、風速、湿度、日射量が格納されている。時間の周期は、計測可能な時間幅により決定される。天気は、気象庁が一般向けに発信している１５種類を用いて表現する。風向きは日本では１６方位を用いるのが一般的であるが、国際式では、真北を基準とし、時計回りの方向に360度に分割して表現する３６０方位が用いられている。図中では、３６０方位で表現しているが、１６方位においてもそれぞれの方位に対して22.5度の割合を与えれば、同様に度で数値化できる。【００４６】
その他、風力発電設備の設計情報、２軸ガスタービン発電装置の設計情報、系統接続の規制やルールなどの情報も格納する。【００４７】
次に、風力発電設備および２軸ガスタービン発電装置から得られる計測信号の情報について説明する。図５はそれぞれ運転情報データベース６００に保存されている情報の態様を説明する図である。図５のように、風力発電設備および２軸ガスタービン発電設備で計測した情報が、計測器毎に各計測時刻と共に保存される。PID番号とは、運転情報データベース６００に格納されているデータを容易に活用できるよう各計測値に割り付けられた固有の番号である。その下にあるアルファベットは、被計測対象を示す記号である。例えば、流量値F、温度値T、圧力値P、発電出力値E、濃度値Dである。尚、図５では１秒周期でデータを保存しているが、データ収集のサンプリング周期は対象となる２軸ガスタービン発電設備によって異なる。【００４８】
次に、制御装置２００におけるモデル計算部４００での予測演算機能の動作について図６を用いて説明する。ここでは、風況と現在の風力発電出力から将来の風力発電出力を求めるモデルである。本モデルは、入力層、中間層、出力層を持ち、それぞれの層には、複数のノードが備わっている。これらのノードは、入力層から出力層に向かって、リンクされており、リンクの強さを表す重み係数が設定されている。つまり、重み係数はノード間の連結数だけ存在する。本モデルはニューラルネットワークと呼ばれており、人間の持つ脳神経ネットワークを模擬したものである。本モデルに、入力値を与え、その入力値に対する所望の出力値が出力されるよう重み係数を調整することで、入力値のもつ相関関係をモデルとして表現できるようになる。これを学習と呼んでいる。学習が完了すると、本モデルに入力値を入力することで、その時の入力値のもつ相関関係をもとに、出力値を推定することが可能となる。ノードに設定する関数はシグモイド関数と呼ばれる指数関数を用いるのが一般的であるが、それに限定するものではない。また、学習時に、重み係数を適切に調整するアルゴリズムは多数考案されている。一般的には、バックプロパゲーション法を用いる。これら詳しい計算アルゴリズムについては、「基礎と実践  ニューラルネットワーク、臼井支朗他著、コロナ社」に詳しい。【００４９】
従って、モデルを構築するために過去蓄積されたデータあるいは設計データをもとにモデル内のパラメータを学習する。運転開始後は、学習で得られたパラメータをもとに予測を実施するが、予測値と実測値の差が設定値よりも大きくなるとそれまでに蓄積されたデータをもとに再度モデルを学習する。【００５０】
また、風力発電機１つ１つで個別のモデルを作成するのか、ウィンドファーム一括で１つのモデルとするのかは、適用する形態に応じて決定する。【００５１】
なお、予測時間の長さは、２軸ガスタービンの発電出力の特性で決定される。つまりは、負荷指令を与えてから実際に発電するまでの遅れ分を事前に予測する必要がある。これについては、図７のフローチャートにも関連する。【００５２】
このように、電力需給変動を予測する手段を有し、電力需給変動の予測値にあわせて回転数を変更するよう構成すれば、より適切な制御を行うことができる。【００５３】
次に、２軸ガスタービン発電装置への出力指令、つまり、２軸ガスタービンに与えるＭＷＤと周波数変換器に与えるＩＭＷＤのモデル計算について説明する。２軸ガスタービン２７の動特性を表現するモデルを予め設定する。これは圧力や流量のマスバランスを基本とする動特性モデルを用いるのが一般的であるが、風力発電出力の予測計算にもちいたニューラルネットワークによるモデル化も可能である。２軸ガスタービンの動特性モデルには、該当ガスタービンの最大負荷変化率が設定されている。風力発電出力を相殺する出力、つまり、目標となる一定負荷から風力発電出力を差し引いた分が２軸ガスタービン発電装置で賄うべき電力量である。ただし、２軸ガスタービンは機械的要素による遅れが生じるため、入力した負荷の変化パターンに対し、出力が遅れる。そのため、風力発電装置と２軸ガスタービン２７からのそれぞれの出力値を合わせるとぴったりと一致することはなく、相殺漏れが発生する。これを先の動特性モデルを用いて計算する。この場合、動特性モデルを設定した最大負荷変化率以内で負荷追従させるが、このときの出力がそのまま２軸ガスタービンへのＭＷＤとなる。相殺漏れ分は周波数変換器に与えるＩＭＷＤとなる。【００５４】
次に、図７にて制御部５００でのＭＷＤおよびＩＭＷＤ生成に関する動作をフローチャートで示す。このような負荷目標と系統周波数を満足するようにガスタービンの要求負荷とガスタービン圧縮機の駆動負荷をそれぞれ計算する手段を備えることにより、系統安定性と負荷目標への追従性に優れた制御が可能となる。【００５５】
始めにステップ５０１では、モデル計算部４００の風力発電出力予測で作成されたモデルから出力された予測値と現在の計測値との誤差を計算する。これが予め設定された値以下となっているか確認する。以下であればステップ５０２へ、そうでなければステップ５０４へ進み再度図６で示したモデルを再学習する。ステップ５０２では、系統の接続条件より負荷目標を生成する。系統の接続条件は、国や地域で異なる。多くは負荷変動幅と系統周波数の変動幅を規定している。既に幾つかの電源が接続されているような系統であれば、本装置のガスタービンを急速に変化させても周波数の変動を系統が吸収できる。そのため負荷変動の抑制幅を考慮すればよい。一方、アイランドオペレーションに代表されるような接続されている電源が少ない場合、ガスタービンを急速に負荷変化させると軸の回転数が変化し、系統周波数に影響を与えることになる。従って、その場合には、系統周波数の変動幅に収まる負荷変化率でガスタービンの負荷を変化させる必要がある。【００５６】
ステップ５０３では、負荷目標から風力発電の予測値を差し引く。【００５７】
ステップ５０５では、負荷目標から風力発電の出力値を差し引く。つまり、予測値は用いない。【００５８】
ステップ５０６では、ステップ５０３あるいは５０５で計算した値をガスタービンモデルに入力しモデル出力値を計算する。
ステップ５０７は、負荷目標からステップ５０６で計算したモデル出力値を差し引き、ステップ５０８でモデル出力値をＭＷＤに、差し引いた値をＩＭＷＤとする。【００５９】
ステップ５０９では、大気温度とモデル出力値をもとにM/Gへの入力負荷を計算する。ガスタービンの基本特性として、大気温度が高くなると圧縮機から入力される圧縮空気の質量流量が下がるため、発電出力が減少する。これを図８に示す。ある設計温度では発電出力は１００％(定格)となるが、大気温度が上昇するにつれて出力が減少する。【００６０】
本実施例における２軸ガスタービン発電装置では、圧縮機側に接続されたM/Gに電気を供給あるいは負荷をかけることでモータと発電の役割をする。電気を供給し圧縮機をアシストすることで大気温度が高い場合でも出力を向上させることができる。これを図９に示す。ある大気温度の場合、M/G入力指令が０、つまり通常の２軸ガスタービンでは発電出力が100%から下がる。しかし電気を供給すると(軸の右方向)圧縮機の駆動力が増し、IGV開度が全開となっていてもさらに取り込む空気量を増加させるため、質量流量が増加し出力を増加させることができる。ただし、無限に増加できるわけではなく、増加による燃料投入で燃焼温度が上昇し、制限温度になると燃料投入が絞られるため逆に低下する。【００６１】
発電効率も同様である。図１０に示すように、定格負荷以外の部分負荷で運転すると効率は低下する。圧縮機は定格点でもっとも効率が良いよう設計されているからである。これをM/Gに電気を供給すると(軸の右方向)圧縮機の動作点が定格点に近づくため、圧縮機の効率が上昇する。したがって、ステップ５０９では、大気温度の状態と部分負荷の状態においてそれぞれが最適となるようM/Gへのアシスト量を決定する。具体的には、アシスト量増加に対する発電出力の増加量と発電効率の増加量を合計した値が最大となるアシスト量で決定する。ただし、合計値に限定するものではない。どちらか一方が最大となるアシスト量を選択してもよい。このように、任意の入力値に対するガスタービン出力値を計算するガスタービン動特性モデルからの出力値と大気温度の入力を受け、周波数変換器１０の制御信号を出力する制御を行うことで、適切にアシスト量を調整することができる。【００６２】
ステップ５１０では、前ステップで計算したアシスト量をM/Gの指令とする。【００６３】
次に、ユーザが支援ツール９１０を用いて、画像表示装置９５０に計測信号１２０、制御信号１３０、関連情報データベース３００、設定値、運転情報データベース６００の情報を表示させる方法について説明する。【００６４】
図１１〜図１４は、画像表示装置９５０に表示される画面の実施例である。ユーザは、キーボード９０１、マウス９０２を用いてこれら画面の空欄となっている箇所にパラメータ値を入力するなどの操作を実行する。【００６５】
図１１は、画像表示装置９５０に表示される初期画面である。ユーザは、運転状態表示ボタン９５１、トレンド表示ボタン９５２、の中から必要なボタンを選択し、マウス９０２を用いてカーソル９５３を移動させ、マウス９０２をクリックすることにより所望の画面を表示させる。【００６６】
図１２は、運転状態表示の画面である。図１１において運転状態表示ボタン９５１をクリックすることにより、図１２の画面が表示される。
系統情報表示欄９６１では、ユーザは、画像表示装置９５０に表示させたい時間を時刻入力欄９６２に入力する。表示ボタン９６３をクリックすることにより、表示欄に、その時間での各種状態を表示する。具体的には、現在、計測している箇所の温度や圧力などの状態量などの機器の状態を表示する。特性状態表示９６４では、図７で示したフローチャートでの判定設定値の状態を示している。設定条件９６５では、図７で示したフローチャートの各種条件を表示する。具体的には、予測許容誤差や負荷変動許容幅、周波数変動許容幅がある。また、関連情報表示欄９８６では、天気、気温、風向、風速、湿度、日射量で表示したい項目を選択し、表示ボタン９６７をクリックすることで、該当情報が記載されている情報を、関連情報データベース３００から検索し表示する。【００６７】
図１２において、戻るボタン９６８をクリックすることにより、図１１の画面に戻ることができる。【００６８】
図１３は、トレンドを画像表示装置９５０に表示させるための設定画面である。図１１においてトレンド表示ボタン９５２をクリックすることにより、図１３の画面が表示される。【００６９】
計測信号表示欄９８１では、ユーザは、画像表示装置９５０に表示させたい計測信号、あるいは操作信号を入力欄９８１に、そのレンジ（上限/下限）と共に入力する。また、表示させたい時間を時刻入力欄９８２に入力する。【００７０】
表示ボタン９６３をクリックすることにより、図１４のようにトレンドグラフが画像表示装置９５０に表示される。図１４の戻るボタン９９１をクリックすることにより、図１３の画面に戻る。【００７１】
また、関連情報表示欄９８４では、天気、気温、風向、風速、湿度、日射量の任意を選択し、表示ボタン９８５をクリックすることで、該当情報が記載されている情報を、関連情報データベース３００から検索し表示する。なお、天気については、前述したように、気象庁が一般向けに発信している１５種類を用いて表現する。各種類に応じて番号を割り振り、これをトレンド表示する。つまり、快晴を０、晴れを１、薄曇を２というように、順次１４まで番号を割り振る。表示させたい時間を時刻入力欄９８５に入力し、表示ボタン９８６をクリックすることで、図１４のようにトレンドグラフが画像表示装置９５０に表示される。【００７２】
図１３において、戻るボタン９８９をクリックすることにより、図１０の画面に戻ることができる。【００７３】
上記のような画面を表示できるよう、制御装置が各種信号を表示装置へ出力する機能を設けることで、運転員によるより良い制御を助けることができる。特に負荷変動許容幅や周波数変動許容幅の少なくともどちらかを表示させることができれば、現状の運転が負荷や系統に与える影響を運転員に容易に認識させることができる点で好ましい。
【実施例２】
【００７４】
図１５は図１で示した主要機器を含めた実施例２に係る再生可能エネルギー対応ガスタービン制御装置および方法を説明する図である。風力発電ではなく太陽光発電を対象としている。太陽光発電装置１０００は、太陽光パネル１１００が複数組み合わされたものである。この場合も各種構成および動作は同じであるが、太陽光発電の予測部分であるモデル計算部４０１について異なるため、ここで詳しく述べる。ここでは、図１６に示すように、温度、湿度、日射量、発電出力の入力データから将来の発電出力を予測するモデルとなる。その他の装置やＭＷＤの生成に関するフローおよび動作や制御部での動作は実施例１と同様である。ただし、関連する計測値は異なる場合がある。【００７５】
以上説明した実施例では、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、燃焼ガスで駆動される高圧タービン２ａを有するガスジェネレータ１５と、ガスジェネレータ１５から排出されたガスで駆動する低圧タービン２ｂと、低圧タービン２ｂの回転力で発電し系統へ電力を供給する主発電機５とを有するパワータービン１６と、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６に周波数変換器１０を介して接続された電動機兼発電機である副電動機・発電機６と、制御装置２００を備え、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６が別軸構成である多軸ガスタービン発電システムにおいて、制御装置２００が、系統の負荷目標と系統の負荷変動要因の入力を受け、周波数変換器の制御信号を出力するものを開示している。【００７６】
系統の負荷目標と前系統の出力変動に基づき、周波数変動器を制御すれば、負荷変動への追従性の高い発電システムを提供できる。圧縮機軸の慣性や電気的エネルギーの吸収・放出でガスタービンの機械的遅れを補償し、接続系統の規制内で発電供給が可能となるからである。余剰電力に対応する設備も必要ないため、最小システムで上記を実現できる。また、あらゆるタイプの系統に対応可能となるため汎用性が高い。【００７７】
これらの効果は、ガスタービンの燃料流量制御による負荷変動の変化量を超える出力変化が要求された場合に、周波数変換器１０によりガスジェネレータ１５の回転数を変化させることで特に顕著に得られる。【００７８】
なお、ここでいう系統の負荷変動要因としては、自然エネルギー利用発電システムからの情報を例として挙げた。実施例１では風力発電、実施例２では太陽光発電を挙げたが、これ以外であっても系統への電力供給量の変動がある発電システムであれば、同種の効果が得られる。【００７９】
各実施例において、データベースは、制御装置２００内に含める形式で説明したが、データベースは個別装置としても良い。制御装置２００自体、図３で一例のみ紹介しているが、この構成である必要はない。重要なのは、ここまで説明した作用効果を奏する制御を行うことであって、全体の制御装置が一つだけあっても、複数の制御装置が役割を分担していても構わない。ガスタービン発電設備と風力発電設備等がそれぞれ制御装置を有していても構わない。【００８０】
また、実施例１と２では、それぞれ２軸ガスタービンのみの発電装置を示しているが、３軸以上の多軸でも構わないし、ガスタービンの排熱を利用し、その熱交換で蒸気を発生することで蒸気タービンを駆動しそれによって発電するコンバインドサイクル発電装置にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１  圧縮機
２  タービン
２ａ  高圧タービン
２ｂ  低圧タービン
５  発電機
６  副電動機・発電機
７  ＧＴ制御装置
７ａ  ＧＴ制御装置
７ｂ  ＧＴ制御装置
８  燃料流量制御弁
９  ＩＧＶ
１０  周波数変換器
１２  タービン軸
１２ａ  ガスジェネレータ軸
１２ｂ  パワータービン軸
１４  排気
１５  ガスジェネレータ
１６  パワータービン
１７  １軸式ガスタービン
１８  燃焼バーナ
１９  燃焼器ライナ
２０  燃焼器
２１  圧縮空気
２２  燃焼ガス
２３  冷却空気
２４  静翼
２５  動翼        
２６  回転数検出器
２６ａ  高圧タービン回転数検出器
２６ｂ  低圧タービン回転数検出器
２７  ２軸式ガスタービン
３０  風力発電設備
３１  風力発電機
１００  ガスタービン発電装置
２００  制御装置
３００  関連情報データベース
４００  風力発電予測部
４０１  太陽光発電予測部
５００  制御部
６００  運転情報データベース
９００  入力装置
９０１  キーボード
９０２  マウス
９１０  支援ツール
９２０  外部入力インターフェイス
９３０  データ送受信処理部
９４０  外部出力インターフェイス
９５０  画像表示装置
１０００  太陽光発電装置
１１００  太陽光パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2015079508.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2015079508.tif 000019
2015079508.tif 000020
2015079508.tif 000021
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