(57)【要約】 【課題】  タービン発電装置において、高価な保護装置を必要とせず、また電力蓄積要素を設けることなく、負荷の変動に対する出力応答性に優れた自立運転を可能にする。【解決手段】  タービン発電機４の発電電力をコンバータ５で直流電力に変換し、コンバータから出力される直流電力をさらにインバータ７で交流電力に変換して負荷へ出力するタービン発電装置１において、コンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値Ｖｃ１以下のとき、系統８からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値Ｖｃ２以上のとき、回生抵抗１１で余剰電力を消費することによって、インバータに入力される電圧を、Ｖｃ１〜Ｖｃ２になるように制御する。インバータへの入力電圧を安定させることによって、負荷変動に対するインバータ出力の高速制御を可能にする。【選択図】      図１
2005218163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに、永久磁石式同期発電機が連結されるタービン発電機と、
（ｂ）タービン発電機に接続されるコンバータと、
（ｃ）コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
（ｄ）交流連系系統に接続される変圧手段と、
（ｅ）変圧手段とインバータとの間に接続される整流手段と、
（ｆ）コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
（ｇ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下の状態では、変圧手段および整流手段を介して交流連系系統からインバータに給電し、
（ｈ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置。
【請求項２】
（ａ）燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに、永久磁石式同期発電機が連結されるタービン発電機と、
（ｂ）タービン発電機に接続されるコンバータと、
（ｃ）コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
（ｄ）交流連系系統とインバータとの間に接続されるＰＷＭコンバータと、
（ｅ）ＰＷＭコンバータに接続され、ＰＷＭコンバータの出力方向を交流連系系統からインバータへ向う方向に制限するリミッタと、
（ｆ）コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
（ｇ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下の状態では、ＰＷＭコンバータを介して交流連系系統からインバータに給電し、
（ｈ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置。
【請求項３】
燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに連結される永久磁石式同期発電機を駆動して発電を行い、発電電力をコンバータで直流電力に変換し、コンバータから出力される直流電力をさらにインバータで交流電力に変換して負荷へ給電するタービン発電装置の自立運転方法において、
ガスタービンに永久磁石式同期発電機が連結されて成るタービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下のとき、交流連系系統からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上のとき、回生抵抗で余剰電力を消費することによって、
インバータに入力される電圧を、第１電圧値を超え、第２電圧値未満の範囲になるように制御することを特徴とするタービン発電装置の自立運転方法。
【請求項４】
燃料流量によるガスタービンの出力制御は、
起動時には、
予め定められるガスタービンに対する投入燃料流量と回転数との関係に基づいて、ガスタービンが所定の回転数になるような燃料流量を投入し、
起動後の運転時には、
ガスタービンの排ガス温度ＥＧＴを検出し、予め負荷の大きさに対応して定められるガスタービン回転数および該ガスタービン回転数に対応するように予め定められる設定排ガス温度ＳＥＧＴと、検出排ガス温度ＥＧＴとの偏差ΔＴ（＝ＳＥＧＴ−ＥＧＴ）が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量と、
コンバータからインバータに対して出力される直流部の電圧Ｖｄｃを検出し、予め定める電圧設定値Ｖｓに対する検出電圧値Ｖｄｃの偏差ΔＶ（＝Ｖｓ−Ｖｄｃ）が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量とのうち、
いずれか少ない方の燃料流量になるように選択することによって行われることを特徴とする請求項３記載のタービン発電装置の自立運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンによって永久磁石式同期発電機を駆動して発電を行うタービン発電装置およびその自立運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロガスタービンなど、ガスタービンと同期発電機が直結しているタービン発電機では、発電周波数はガスタービンの回転速度（以後、回転数と呼ぶことがある）に発電機の極対数を乗じたものとなり、商用周波数（５０または６０Ｈｚ）に比べて高い周波数の電力を発生する。たとえば、６万ｒｐｍのガスタービンに直結した２極（極対数は１）の発電機は、１ｋＨｚの電力を発生する。このような高速回転の発電機は、遠心力に耐える強度とするため、また、小型とし出力密度を上げるため、ロータの磁極に強力な希土類の永久磁石を用いた発電機が使われる。すなわち、永久磁石式同期発電機は、界磁巻線のある発電機とは異なり、磁場の強さを操作することができない、すなわち発電電圧の制御ができない発電機である。この発電出力を利用するには、商用の周波数（５０または６０Ｈｚ）および電圧（たとえば３相２２０Ｖ）に変換する必要がある。この電力変換は、整流回路たとえばコンバータ（略称ＣＮＶ）により一旦直流に変換した後、その直流電力をインバータ（略称ＩＮＶ）で再度所要の周波数と電圧の交流に変換することによって行われている。
【０００３】
一般的に、このようなタービン発電装置は、負荷の変動に対する出力応答特性が劣る。たとえば系統連系機のマイクロガスタービンについて一例を示すと、出力を零（０）％から１００％まで上げるのに１分もの時間を必要とする。系統連系されるタービン発電装置は、ベースロード運転、すなわちベース負荷の電力のみタービン発電装置で供給するように運転され、負荷の変動に対する発電装置による発電電力の不足分は、系統からの給電によって対応される。したがって、負荷の変動に対するガスタービン発電装置の出力応答性は求められていない。
【０００４】
しかしながら、系統連系の運転では、負荷の変動に応じてタービン発電装置による発電電力が負荷の必要電力を上回るとき、タービン発電装置による余剰の発電電力が系統へ供給される。系統は、多くの場合商用電源であることが多いので、タービン発電装置から系統へ供給される電力に起因する過電流、過電圧、周波数変動などによるトラブル発生を防止するために、系統とタービン発電装置とを切離すことのできる保護装置を設置しなければならないという問題がある。また前述のように系統は、商用電源すなわち電力会社の資産であるので、タービン発電装置を系統に連系させるには、電力会社と予め協議しなければならないという問題がある。このように、タービン発電装置と系統との連系には、高価な保護装置を必要とし、また事前に電力会社の了解を得るべく協議を必要とすることが、タービン発電装置普及の妨げとなっている。
【０００５】
このような問題を解決し系統との連系を用いない従来技術に、タービン発電装置に電力蓄積要素を設け、タービン発電装置の出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を電力蓄積要素の充放電によって吸収するというものがある（特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、電力蓄積要素の代表例であるたとえば二次電池は、寿命が比較的短く、該二次電池を含む発電装置をパッケージ内に設ける場合、電力蓄積機能を充分発現させるためには適正温度範囲になるように管理をしなければならない。また二次電池が、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などであると、環境負荷の高い物質が含まれるので、廃棄処理が難しいという問題がある。また電力蓄積要素が設けられたタービン発電装置の運転に際しては、電力蓄積要素に対して充電する操作が必須であり、その充電中である十数分間はガスタービンを停止することができないという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特表２００１−５２７１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高価な保護装置を必要とせず、また電力蓄積要素を設けることなく、負荷の変動に対する出力応答性に優れたタービン発電装置およびその自立運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、（ａ）燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに、永久磁石式同期発電機が連結されるタービン発電機と、
（ｂ）タービン発電機に接続されるコンバータと、
（ｃ）コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
（ｄ）交流連系系統に接続される変圧手段と、
（ｅ）変圧手段とインバータとの間に接続される整流手段と、
（ｆ）コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
（ｇ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下の状態では、変圧手段および整流手段を介して交流連系系統からインバータに給電し、
（ｈ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置である。
【００１０】
また本発明は、（ａ）燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに、永久磁石式同期発電機が連結されるタービン発電機と、
（ｂ）タービン発電機に接続されるコンバータと、
（ｃ）コンバータと負荷との間に接続されるインバータと、
（ｄ）交流連系系統とインバータとの間に接続されるＰＷＭコンバータと、
（ｅ）ＰＷＭコンバータに接続され、ＰＷＭコンバータの出力方向を交流連系系統からインバータへ向う方向に制限するリミッタと、
（ｆ）コンバータからの出力部である直流部に接続される回生抵抗とを含み、
（ｇ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下の状態では、ＰＷＭコンバータを介して交流連系系統からインバータに給電し、
（ｈ）タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上の状態では、回生抵抗によって余剰電力を消費するように構成されることを特徴とするタービン発電装置である。
【００１１】
また本発明は、燃料流量によって出力制御可能なガスタービンに連結される永久磁石式同期発電機を駆動して発電を行い、発電電力をコンバータで直流電力に変換し、コンバータから出力される直流電力をさらにインバータで交流電力に変換して負荷へ給電するタービン発電装置の自立運転方法において、
ガスタービンに永久磁石式同期発電機が連結されて成るタービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下のとき、交流連系系統からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上のとき、回生抵抗で余剰電力を消費することによって、
インバータに入力される電圧を、第１電圧値を超え、第２電圧値未満の範囲になるように制御することを特徴とするタービン発電装置の自立運転方法である。
【００１２】
また本発明は、燃料流量によるガスタービンの出力制御は、
起動時には、
予め定められるガスタービンに対する投入燃料流量と回転数との関係に基づいて、ガスタービンが所定の回転数になるような燃料流量を投入し、
起動後の運転時には、
ガスタービンの排ガス温度ＥＧＴを検出し、予め負荷の大きさに対応して定められるガスタービン回転数および該ガスタービン回転数に対応するように予め定められる設定排ガス温度ＳＥＧＴと、検出排ガス温度ＥＧＴとの偏差ΔＴ（＝ＳＥＧＴ−ＥＧＴ）が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量と、
コンバータからインバータに対して出力される直流部の電圧Ｖｄｃを検出し、予め定める電圧設定値Ｖｓに対する検出電圧値Ｖｄｃの偏差ΔＶ（＝Ｖｓ−Ｖｄｃ）が零になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量とのうち、
いずれか少ない方の燃料流量になるように選択することによって行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、負荷の増大に対してタービン発電機による発電電力が不足するとき、変圧手段および整流手段を介して系統から給電を受け、負荷の減少に対してタービン発電機による発電電力が過剰になるとき、余剰電力を回生抵抗で消費して系統に戻すことがない。このように系統からは給電を受けるのみであり、余剰電力を系統に供給することがないので保護装置を必要としない。また出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を吸収するための電力蓄積要素を設けることなく、負荷の変動に対する出力応答性に優れたタービン発電装置を実現することができる。さらに、電力蓄積要素を含まないので、タービン発電装置を停止操作する際、電力蓄積要素に充電することが不要であり、即時停止することができるので、不要な燃料消費を抑制することができる。
【００１４】
また本発明によれば、系統からインバータへＰＷＭコンバータを介して給電することによって、一層高精度に直流部分の電圧制御を実現することができる。
【００１５】
また本発明によれば、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第１電圧値以下のとき、系統からインバータに給電し、タービン発電機からコンバータを介してインバータに給電される電圧が、予め定める第２電圧値以上のとき、回生抵抗で余剰電力を消費するので、系統を保護するための保護装置を設ける必要がなく、また出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を吸収するための電力蓄積要素も必要とすることなく、インバータに対して入力される電圧を、第１電圧値を超え、第２電圧値未満の範囲になるように精度良く安定させ、負荷の変動に対するインバータ出力の応答性に優れたタービン発電装置の自立運転方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の実施の一形態であるタービン発電装置１の構成を簡略化して示す系統図であり、図２は図１に示すタービン発電装置１の要部の回路を示す図である。タービン発電装置１は、燃料流量によって出力制御可能なガスタービン２に、永久磁石式同期発電機３が連結されるタービン発電機４と、タービン発電機４に接続されるコンバータ５と、コンバータ５と負荷６との間に接続されるインバータ７と、交流連系系統８（以後、単に系統８と略称することがある）に接続される変圧手段９と、変圧手段９とインバータ７との間に接続される整流手段１０と、コンバータ５からの出力部である直流部３７に接続される回生抵抗１１とを含んで構成される。
【００１７】
ガスタービン２は、タービン２１と、空気圧縮機２２と、燃焼器２３とを備える。燃焼器２３には、燃料源２４から遮断弁２５および燃料の供給流量を制御するガスコンプレッサ２６を経て燃料が供給され、また空気圧縮機２２から圧縮空気が供給される。燃焼器２３において燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成することによって、タービン２１が駆動され、タービン２１の発生動力と空気圧縮機２２の駆動力との差が、軸出力として永久磁石式同期発電機３の駆動に用いられる。ガスタービン２の出力は、後述する制御方法に従って、ガスコンプレッサコントローラ２７が、ガスコンプレッサ２６を動作制御して燃料ガスの流量を調整することによって、回転速度（＝回転数）制御される。
【００１８】
永久磁石式同期発電機３は、永久磁石を有するロータ２８と、界磁コイルを有するステータ２９とを含み、ロータ２８がガスタービン２の出力軸に直結されて回転駆動されることによって、その駆動される回転数に対応する周波数を有する誘起電圧を発生する。また界磁コイルに交流電力が供給されて励磁されることによって、永久磁石式同期発電機３は、同期電動機３ａとして動作し、トルクを発生して、ガスタービン２の回転起動を行うことができる。
【００１９】
永久磁石式同期発電機３の界磁コイルは、たとえば星形であり、ライン３１，３２，３３を介してコンバータ５に接続される。コンバータ５は、ライン３４，３５間に接続されるコンバータ用ブリッジ回路３６を有する。このコンバータ用ブリッジ回路３６は、ライン３４，３５間に直列に接続される各相毎のスイッチングトランジスタＱ１ｃ，Ｑ２ｃ；Ｑ３ｃ，Ｑ４ｃ；Ｑ５ｃ，Ｑ６ｃとを含み、ライン３１，３２，３３に接続される。
【００２０】
ライン３４，３５には、直流部３７が設けられ、さらにインバータ７が設けられる。インバータ７は、ライン３４，３５間に接続されるインバータ用ブリッジ回路３８を有する。このインバータ用ブリッジ回路３８は、前述のコンバータ用ブリッジ回路３６に類似し、各相毎に直列に接続されたインバータ用スイッチングトランジスタＱ１ｉ，Ｑ２ｉ；Ｑ３ｉ，Ｑ４ｉ；Ｑ５ｉ，Ｑ６ｉを有し、ライン３９，４０，４１に接続される。スイッチングトランジスタＱ１ｃ〜Ｑ６ｃおよびＱ１ｉ〜Ｑ６ｉは、オン／オフのスイッチング動作をする制御端子を備えるトランジスタ以外のスイッチング素子によって実現されてもよい。これらのライン３９，４０，４１は、リアクトル４２、電磁接触器４３を経て、負荷６に接続される。直流部３７のライン３４，３５には、その直流部３７の電圧Ｖｄｃを検出する電圧センサ４６が接続され、またコンデンサ４４，４５を含んでも良い。
【００２１】
コンバータ５は、タービン発電機４から出力される交流電力を、直流変換して直流部３７へ出力し、インバータ７は、直流部３７から入力される直流電力を、交流変換して、たとえばＡＣ２２０Ｖ、周波数６０Ｈｚの交流電力として負荷６へ出力する。
【００２２】
系統８に接続される変圧手段９は昇圧トランスであり、整流手段１０は三相全波整流器（以後、単に整流器と呼ぶ）である。昇圧トランス９は、系統８の電圧変動に関わらずインバータ７を介して負荷６に対し、たとえばＡＣ２２０Ｖを安定して供給するために設けられる。負荷６に対してＡＣ２２０Ｖを供給するために必要なインバータ７へ入力されるべき直流電圧は、ＡＣ２２０Ｖの√（２）倍であるＤＣ３１０Ｖであるけれども、フィルタなどによる電圧降下を考慮して本実施の形態ではプラスαの電圧を予め付加しておくこととし、整流器１０から直流部３７に与える直流電圧は、ＤＣ３４０Ｖになるように設定される。したがって、昇圧トランス９による系統８からの電圧を昇圧して出力する電圧は、ＤＣ３４０Ｖの１／√（２）倍であるＡＣ２２０Ｖになるように設定される。
【００２３】
この系統８から昇圧トランス９と整流器１０とを経て直流部３７に接続される回路は、  前述した直流部３７の電圧Ｖｄｃが、第１電圧値Ｖｃ１として定められるたとえばＤＣ３４０Ｖ以下になると、系統８から昇圧トランス９と整流器１０とを経て、直流部３７に給電されるように構成される。
【００２４】
回生抵抗１１は、ライン３４，３５に接続されるインバータ７に備えられる回生指令部４７に接続するように設けられる。直流部３７の電圧Ｖｄｃが、第２電圧値Ｖｃ２として定められるたとえばＤＣ４００Ｖ以上になると、回生指令信号が回生指令部４７のトランジスタ４８に与えられ、トランジスタ４８の動作によって、回生抵抗１１に通電されて電力を消費する。トランジスタ４８の動作は、不図示の制御手段である処理回路から第２電圧値Ｖｃ２としての設定電圧ＤＣ４００Ｖと、電圧センサ４６により検出される直流部３７の電圧Ｖｄｃとを不図示の減算器に入力し、減算器の出力をトランジスタ４８へ入力することによって実現される。
【００２５】
以下タービン発電装置１の動作および制御について説明する。タービン発電装置１の起動制御は、予め定める起動シーケンスに従って行われる。起動時、永久磁石式同期発電機３は、系統８からコンバータ５を介して交流電力供給を受け、同期電動機３ａとして回転動作を開始する。コンバータ５を介して供給される交流電力の周波数の増加に伴う同期電動機３ａの回転数増加の過程において、燃料源２４に繋がるガスコンプレッサ２６から燃焼器２３に燃料が供給されて点火される。
【００２６】
このガスコンプレッサ２６からの燃料供給は、次のようにして行われる。制御手段のメモリに予めストアされている起動制御マップ５２、すなわち起動時における経過時間と燃料供給量との関係を与えるデータに従い、燃料供給量が、制御手段からガスコンプレッサコントローラ２７に燃料投入指令信号として出力される。ガスコンプレッサコントローラ２７は、前述のメモリにストアされている燃料インデックス４９、すなわち燃料の供給量とタービン２１の回転数との関係を与えるマップに従い、燃料供給量を回転数指令信号としてガスコンプレッサ２６に出力する。ガスコンプレッサ２６は、回転数指令信号に応じて、燃料源２４から燃料を燃焼器２３に対して供給する。
【００２７】
起動シーケンスに従って設定されるタービン２１の回転数は、系統８から給電される交流電力の周波数に対応する回転数よりも大きいので、系統８を供給源としてコンバータ５から永久磁石式同期発電機３に向かって流れていた電流は、ガスタービン２、したがって永久磁石式同期発電機３からコンバータ５に向かって流れ出すように逆転し、タービン発電装置１の起動が行われる。
【００２８】
運転動作中におけるタービン発電装置１のインバータ７の出力電圧は、接続される負荷６によって決まる。ガスタービン２は、定格出力より少ない出力の運転時、定格回転数よりも低い回転数で運転した方が、効率が高いという特性を有する。したがって効率を重視した運転を行うには、出力に応じてその回転数を変える必要が生じる。タービン発電装置１では、永久磁石式同期発電機３の同期化力を利用し、負荷６によって決まるインバータ７の出力電圧に応じた最適な回転数が選定されるように制御される。
【００２９】
ガスタービン２の最適回転数の選定制御は、次のようにして行われる。まず負荷とその負荷に対する適正タービン回転数との関係を与えるタービン速度設定マップ５０を、予め求めてメモリにストアしておく。負荷６を検出する負荷検出センサ６ａからの検出出力に応じてタービン速度設定マップ５０から選定されるタービン回転数を、制御手段が、タービン回転数指令信号としてコンバータ５に対して出力する。コンバータ５の出力する周波数に応じて同期化力により永久磁石式同期発電機３の回転数を、タービン回転数指令信号によって指示される回転数になるように拘束することによって、最適回転数の選定が実現される。
【００３０】
以下永久磁石式同期発電機３の同期化力について説明する。永久磁石式同期発電機３が発電している状態では、永久磁石式同期発電機３の誘起電圧の位相は端子電圧に対して進んだ状態で動作しており、誘起電圧と端子電圧との差を永久磁石式同期発電機３の巻線等のインピーダンスで除した電流が、永久磁石式同期発電機３の端子からコンバータ５に向って流れる。この電流と磁場との相互作用により、永久磁石式同期発電機３のロータ２８に対して減速トルクが作用し、この減速トルクとガスタービン２からの動力が釣合えば、永久磁石式同期発電機３は安定状態で発電を続ける。
【００３１】
この状態でガスタービン２の駆動トルクが減少すると、電気的な減速トルクの方が大きくなって、ロータ２８は減速され、コンバータ５が発生する電圧に対する永久磁石式同期発電機３の誘起電圧の位相が減少する。この結果、永久磁石式同期発電機３からコンバータ５に向う電流は減少し、電磁気的にロータ２８を減速させるトルクも減少し、発電電力が減少した新たな釣合い状態に達する。
【００３２】
逆に、ガスタービン２の駆動トルクが増大すると、電気的な減速トルクに対してガスタービン２の駆動トルクの方が大きくなって、ロータ２８は加速され、コンバータ５が発生する電圧に対する発電機の誘起電圧の位相が増大する。この結果、永久磁石式同期発電機３からコンバータ５に向う電流は増加し、電磁気的にロータ２８に作用する減速トルクも増大して発電電力が増加した新たな釣合い状態に達する。
【００３３】
このように、誘起電圧とコンバータ５が規定する端子電圧との位相差に応じて永久磁石式同期発電機３に加速トルクまたは減速トルクが電気的に発生する。これを同期化力と言い、コンバータ５が発生する電圧の周波数に対して、永久磁石式同期発電機３の回転数に偏差を発生させないように作用する。すなわち、ある定常状態に対して、コンバータ５で設定する発電機端子電圧の周波数を増減させることにより、ガスタービン２の動作回転数をそれに追従させて増減させることが可能となる。
【００３４】
さらに、永久磁石式同期発電機３を駆動するガスタービン２のトルクが少ない場合には、永久磁石式同期発電機３の端子電圧に対して、永久磁石式同期発電機３の誘起電圧は位相が遅れることになり、発電時とは逆に端子から永久磁石式同期発電機３の方に電流が流れて永久磁石式同期発電機３は同期電動機３ａとして動作し、回転を加速する方向に電気的なトルクが発生する。このようにして永久磁石式同期発電機３を同期電動機３ａとして回す状態から、永久磁石式同期発電機３から電力を取出す状態まで、連続的に継ぎ目無く、回転を制御することが可能となる。このことによって、同一の出力状態の中で、最適な回転数を選定して運転することが可能となる。
【００３５】
しかしながら、コンバータ５が発生する発電機端子電圧の周波数に永久磁石式同期発電機３を追従させる同期化力には限界があり、負荷６の変動に伴う急激な周波数変化には追従できなくなる。また、低い発電周波数で大きな電力を取出そうとすると、電気的に発生できるトルクの限界を超してガスタービン２の駆動トルクが作用し、やはり永久磁石式同期発電機３の回転数が端子電圧、周波数に追従できなくなる。このような現象を防ぐためには、設定された端子電圧、周波数に対応する回転数で発生可能な動力の範囲内に燃料を制御する、などして電力変換の制御とガスタービン２の制御とを連繋させなければならない。
【００３６】
本実施の形態のタービン発電装置１では、最小信号選択回路５１によって、運転時の燃料流量によるガスタービンの出力制御を行うように構成される。以下最小信号選択回路５１によるガスタービン２の出力制御について説明する。
【００３７】
最小信号選択回路５１では、排ガス温度制御と負荷制御とによって定められる燃料流量のうち、最小（小さい方）の燃料流量が選択される。排ガス温度制御によって定められる燃料流量とは、ガスタービン２の排ガス温度ＥＧＴを検出し、検出排ガス温度ＥＧＴと、負荷６に応じたガスタービン回転数に対応して予め定められる設定排ガス温度のデータである排ガス温度設定マップ５３から得られる設定排ガス温度ＳＥＧＴとの偏差ΔＴ（＝ＳＥＧＴ−ＥＧＴ）が、零（０）になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量である。偏差ΔＴは、検出排ガス温度ＥＧＴの信号と設定排ガス温度ＳＥＧＴの信号とを減算器５４へ入力することによって演算され、偏差ΔＴを０にする制御信号は、ＰＩＤ制御回路５５よって得られる。なお、負荷６に応じたガスタービン回転数とは、前述のタービン速度設定マップ５０から得られるガスタービン回転数であり、前述の排ガス温度設定マップ５３もメモリに予めストアされる。
【００３８】
また負荷制御によって定められる燃料流量とは、コンバータ５からインバータ７に対して出力される直流部３７の電圧Ｖｄｃを検出し、予め定める電圧設定値Ｖｓ（本実施の形態ではＤＣ３６０Ｖ）に対する検出電圧値Ｖｄｃの偏差ΔＶ（＝Ｖｓ−Ｖｄｃ）が０になるように回転数を変化させるために必要な燃料流量である。偏差ΔＶは、電圧設定値Ｖｓの信号と検出電圧値Ｖｄｃの信号とを減算器５６へ入力することによって演算され、偏差ΔＶを０にする制御信号は、ＰＩＤ制御回路５７によって得られる。なお電圧設定値Ｖｓの信号は、たとえば制御手段からの指示信号として与えることができる。
【００３９】
最小信号選択回路５１において選択される最小燃料流量信号は、厳密にはガスタービン回転数の指示信号であるけれども、ガスタービン回転数の指示信号が、ガスコンプレッサコントローラ２７に対して燃料投入指令信号として与えられ、ガスコンプレッサコントローラ２７では、燃料投入指令信号を燃料インデックス４９に対応させて供給するべき燃料流量として選択するので、最小信号選択回路５１における選択信号も便宜上燃料流量として表記した。
【００４０】
ガスコンプレッサコントローラ２７によって選択された燃料供給量は、回転数指令信号としてガスコンプレッサ２６に与えられ、ガスコンプレッサ２６が、該回転数指令信号に従った燃料流量を燃焼器２３へ供給してガスタービン２１の回転数が制御される。
【００４１】
しかしながら、このような燃料流量制御によっても、負荷６の急激な変動に対して、ガスタービン２の回転数、すなわち永久磁石式同期発電機３の発電出力を即時応答させることができず、応答速度が充分ではない。そこで本発明のタービン発電装置１では、負荷６の変動に対する永久磁石式同期発電機３の応答が充分でない場合であっても、系統８からインバータ７に給電することによって、インバータ７からの出力の高速制御を可能にしている。
【００４２】
たとえば負荷６が増大したにも関わらず、ガスタービン２の回転数制御の追従が遅れた場合、直流部３７の電圧Ｖｄｃは、負荷制御による設定電圧値Ｖｓ＝ＤＣ３６０Ｖよりも低下する。しかしながら、系統８に接続される整流器１０の設定電圧がＤＣ３４０Ｖであるので、電圧センサ４６によって検出される直流部３７の電圧Ｖｄｃが、第１電圧値Ｖｃ１であるＤＣ３４０Ｖ以下になると、系統８から昇圧トランス９および整流器１０を経て直流部３７に給電される。したがって、インバータ７に入力される直流電圧は、ＤＣ３４０Ｖを下回ることがない。
【００４３】
一方、負荷６が減少したにも関わらず、ガスタービン２の回転数制御の追従が遅れた場合、直流部３７の電圧Ｖｄｃは、負荷制御による設定電圧値Ｖｓ＝ＤＣ３６０Ｖよりも上昇することになる。しかしながら、電圧センサ４６によって検出される直流部３７の電圧Ｖｄｃが、第２電圧値Ｖｃ２であるＤＣ４００Ｖ（この電圧値は、たとえばインバータ７などの耐圧電圧などを基準に設定される）以上になると、トランジスタ４８をＯＮにして、電力を回生抵抗１１へ供給し、回生抵抗１１で電力を消費する。このことによって、インバータ７に入力される直流電圧は、第２電圧値Ｖｃ２であるＤＣ４００Ｖを上回ることがない。
【００４４】
このように、タービン発電機４の出力に関わらず、インバータ７に対しては、常にＤＣ３４０〜４００Ｖの直流電圧が入力される。このことによって、負荷６の変動に対するインバータ７の出力応答の高速制御が可能になる。すなわち、タービン発電装置１では、たとえば制御手段に備えられる出力電圧・周波数設定手段６０から出力される出力電圧・周波数指示信号と、インバータ７の出力を検出するインバータ出力センサ６１からの検出信号とを、減算器６２へ入力し、減算器６２による演算結果である偏差を０にするようにＰＩ制御回路６３で制御し、その制御指示信号によってインバータ７の出力が制御される。このインバータ７の出力を制御する回路は、インバータ７に対して常にＤＣ３４０〜４００Ｖの直流電圧が入力されることによって、タービン発電機４の出力に依存することなく独立して実行することができるので、極めて高速の制御が可能になる。
【００４５】
このタービン発電装置１は、負荷６の増大に対してタービン発電機４による発電電力が不足するときには系統８から給電を受け、負荷６の減少に対してタービン発電機４による発電電力が過剰になるときには余剰電力を回生抵抗１１で消費して系統に戻すことがないので、系統８に対する保護装置を必要とせず、また出力制御が追随することのできない領域の負荷変動分を吸収するための電力蓄積要素も必要としない。
【００４６】
図３は、負荷の変動に対応する出力、電力およびＶｄｃのタイミングチャートである。まず負荷６の変動を示す。図３では、負荷６が、時刻ｔ１において増大し、その後時刻ｔ１〜ｔ２では一定値で推移し、時刻ｔ２において減少する場合について例示する。
【００４７】
前述のようにタービン発電機４は、充分な応答性を有しないので、時刻ｔ１における負荷６の急増に対応してその出力を急増させることができず、時刻ｔ１から時刻ｔ１１にかけて漸増するにすぎない。負荷８の増大に対してタービン発電機４の出力が追従できないので、直流部３７の電圧Ｖｄｃが低下するけれども、直流部３７の電圧Ｖｄｃが第１電圧値Ｖｃ１に達すると、系統８から直流部３７すなわちインバータ７に対して給電されるので、直流部３７の電圧ＶｄｃがＶｃ１よりも低下することなく、またインバータ７の出力が、負荷６の増大に対して高い応答性をもって追従する。
【００４８】
タービン発電機４の出力が、時刻ｔ１から時刻ｔ１１までの時間をかけて負荷６の増大に対応可能な出力まで増加すると、系統８からの給電が、時刻ｔ１から時刻ｔ１１までかけて漸減し、時刻ｔ１１において給電停止する。直流部３７の電圧Ｖｄｃも、時刻ｔ１１において所定の電圧値に復帰し、以降は安定する。
【００４９】
時刻ｔ２において負荷６が急減すると、タービン発電機４は、時刻ｔ２における負荷６の急減に対応してその出力を急減させることができず、時刻ｔ２から時刻ｔ２２にかけて漸減するにすぎない。負荷８の減少に対してタービン発電機４の出力が追従できないので、直流部３７の電圧Ｖｄｃが上昇するけれども、直流部３７の電圧Ｖｄｃが第２電圧値Ｖｃ２に達すると、回生抵抗１１に通電されて電力消費されるので、直流部３７の電圧ＶｄｃがＶｃ２よりも上昇することなく、またインバータ７の出力が、負荷６の減少に対して高い応答性をもって追従する。
【００５０】
タービン発電機４の出力が、時刻ｔ２から時刻ｔ２２までの時間をかけて負荷６の減少に対応可能な出力まで低下すると、回生抵抗１１における電力消費が、時刻ｔ２から時刻ｔ２２までかけて漸減し、時刻ｔ２２において回生抵抗１１に対する通電が停止する。直流部３７の電圧Ｖｄｃも、時刻ｔ２２において所定の電圧値に復帰し、以降は安定する。
【００５１】
図４は本発明の実施の第２の形態であるタービン発電装置７０の構成を簡略化して示す系統図であり、図５は図４に示すタービン発電装置７０の要部の回路を示す図である。本実施の形態のタービン発電装置７０は、実施の第１形態のタービン発電装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００５２】
タービン発電装置７０の特徴は、実施の第１形態のタービン発電装置１の整流器１０に代えてＰＷＭコンバータ７１を用いることである。本実施の形態のＰＷＭコンバータ７１は、タービン発電機４に接続されるコンバータ５と基本構成を同じくし、系統８から入力される交流電力を直流電力に変換して直流部３７へ出力する。系統８から直流部３７への給電にＰＷＭコンバータ７１を用いることによって、一層高精度に電圧制御をすることが可能になる。
【００５３】
ＰＷＭコンバータ７１は、双方向に電力変換可能に構成されるので、系統８から受電する電力を安定化するとともに、余分な電力を系統８へ戻す機能を有する。したがって、タービン発電装置７０では、ＰＷＭコンバータ７１を、系統８から受電する交流電力の直流化と電圧の安定化とのみに限定して動作させ、余剰電力を系統８へ戻さないようにすることを目的として、電流指令値が負の符号を持たないように指令値リミッタ７２を設ける。
【００５４】
リミッタ７２には、たとえば制御手段に備えられるＤＣ電圧設定手段７３からの設定電圧指示信号とＰＷＭコンバータ７１の出力電圧検出信号とを、減算器７４で演算した結果が与えられる。リミッタ７２からの出力信号は、ＰＩ制御回路７５に与えられ、ＰＩ制御回路７５は、リミッタ７２からの出力信号に応答してＰＷＭコンバータ７１の動作指示信号を出力する。ＰＷＭコンバータ７１は、ＰＩ制御回路７５からの動作指示信号に従って、前述の直流化と電圧の安定化とのみに限定して動作するように制御される。
【００５５】
なお、指令値リミッタ７２を設けることによって、負の電流を流すことができなくなるけれども、この負の電流を流せないことに起因する電圧上昇は、抵抗器での電力消費またはガスタービン２の回転数指令を上昇させるなど、タービン発電装置７０をエネルギ吸収装置として利用することによって解消される。
【００５６】
本実施の形態のタービン発電装置７０は、実施の第１形態のタービン発電装置１と同様の効果を奏することができ、また系統８から直流部３７への給電開始の基準電圧値である第１電圧値Ｖｃ１を、負荷制御の設定電圧値Ｖｓと同一のＤＣ３６０Ｖに設定することによって、タービン発電機４と系統８とによる給電の負荷分担をすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の一形態であるタービン発電装置１の構成を簡略化して示す系統図である。
【図２】図１に示すタービン発電装置１の要部の回路を示す図である。
【図３】負荷の変動に対応する出力、電力およびＶｄｃのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の第２の形態であるタービン発電装置７０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図５】図４に示すタービン発電装置７０の要部の回路を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，７０  タービン発電装置
２  ガスタービン
３  永久磁石式同期発電機
４  タービン発電機
５  コンバータ
６  負荷
７  インバータ
８  交流連系系統
９  昇圧トランス
１０  整流器
１１  回生抵抗
２１  タービン
２２  空気圧縮機
２３  燃焼器
２４  燃料源
２５  遮断弁
２６  ガスコンプレッサ
２７  ガスコンプレッサコントローラ
７１  ＰＷＭコンバータ
７２  リミッタ
【図１】
2005218163.tif 000003
【図２】
2005218163.tif 000004
【図３】
2005218163.tif 000005
【図４】
2005218163.tif 000006
【図５】
2005218163.tif 000007