(57)【要約】【課題】  アイソクロナス制御と回転数ドループ制御の制御モードを、ガスタービン発電装置の運転中に必要に応じて短時間に切替えることができ、かつ発電機回転数及び出力電力の変動を低減することができるガスタービン発電装置の制御モード切替方法を提供する。【解決手段】  （Ａ）アイソクロナス制御から回転数ドループ制御への切り替えにおいて、現在の制御燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、これを比例ゲインＫpで割った値を切り替え後の回転数偏差として現在の実回転数Ｎgに加算し、（Ｂ）回転数ドループ制御からアイソクロナス制御への切り替えにおいて、回転数目標値Ｎgrefを現在の実回転数Ｎgに維持し、現在の燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、積分演算部の初期値とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン発電装置の制御モード切替方法であって、
（Ａ）アイソクロナス制御から回転数ドループ制御への切り替えにおいて、現在の制御燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、これを比例ゲインＫpで割った値を切り替え後の回転数偏差として現在の実回転数Ｎgに加算し、
（Ｂ）回転数ドループ制御からアイソクロナス制御への切り替えにおいて、回転数目標値Ｎgrefを現在の実回転数Ｎｇに維持し、現在の燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、積分演算部の初期値とする、ことを特徴とするガスタービン発電装置の制御モード切替方法。      
【請求項２】
（Ｃ）アイソクロナス制御から出力ドループ制御への切り替えにおいて、積分制御はそのまま引き続き適用し、現在の出力電力を最大電力で割った値に速度加算率を掛けた値を回転数偏差とする、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置の制御モード切替方法。      
【請求項３】
回転数ドループ制御目標値計算手段により、現在の燃料流量Ｗfと定常燃料流量Ｗfssおよび現在の回転数Ｎgから回転数ドループ制御モードにおける回転数目標値Ｎgrefを計算し、
出力ドループ制御目標値計算手段により、現在の出力電力Ｐおよび定格回転数Ｎから出力ドループ制御モードにおける回転数目標値Ｎgrefを計算し、
回転数目標値選択手段により、選択した制御モードに応じ、ガスタービンの回転数目標値Ｎgrefを選択し、
回転数目標値積算手段により、回転数上下のための増速指令、減速指令による回転数目標値の積算を行い、かつガバナモードが遷移した時にこの積算値を回転数目標値選択手段で選択された値で初期化し、
回転数偏差演算器により、回転数目標値Ｎgrefと現在の回転数Ｎｇとの偏差ΔＮを演算し、
積分演算器により、回転数目標値と現在の回転数の偏差ΔＮに比例ゲインを掛け、更にその値に積分ゲインＫiを掛け、前回値と加算して積分を行い、かつ積分初期化パルスにより、積分値を現在の状態を崩さないような値で初期化する、ことを特徴とするガスタービン発電装置の制御モード切替方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン発電装置の制御モード切替方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンで発電機を回転駆動するガスタービン発電装置において、ガスタービンの回転速度を制御する回転数制御方式として、アイソクロナス制御と回転数ドループ制御が知られている。
図４（Ａ）は、アイソクロナス制御のブロック図である。アイソクロナス制御は、積分制御とも呼ばれ、制御目標値（Ｎgref）と実際に制御された値（Ｎg）の差（偏差）に比例ゲインＫpを掛け比例側制御量とし、更にその値に積分ゲインＫi（リセットゲインと呼ぶこともある）を掛けた値を積分し、その値と比例側制御量を加算した値を制御量としてアクチュエータを動かす制御であり、偏差がなくなるまで制御量を変化させる。このアイソクロナス制御による制御量（積分制御燃料流量Ｗf）は、図に示す式（１）で示され、完全な積分制御中はＮgref＝Ｎgとなっている。
図４（Ｂ）は、回転数ドループ制御のブロック図である。回転数ドループ制御は、比例制御とも呼ばれ、制御目標値（Ｎgref）と実際に制御された値（Ｎg）の差（偏差）に比例ゲイン（Ｋp）を掛け算することにより制御量を演算する制御である。この回転数ドループ制御による制御量（積分制御燃料流量Ｗｆ）は、図に示す式（２）で示され、無負荷、定格回転数運転中にＮgref＝ＮgとなるようにＷfssが選択される。このため負荷運転中はＮgref＞Ｎgとなっている。
【０００３】
ガスタービン発電装置は、電力会社の電力系統から切り離された単独運転と、電力系統に連係された系統併入運転の両方に用いられる。単独運転時には、発電した電力の周波数が所望の周波数を維持するように、制御目標値（Ｎgref）を同期周波数とするアイソクロナス制御が用いられる。
【０００４】
一方、系統併入運転時には、回転数ドループ制御が用いられる。この理由は、発電機が電力会社や他の発電機と電力線で連係されている場合は、発電機と発電機を駆動する原動機（ガスタービンなどのエンジン）はあたかもゴムのような弾性体で機械的に結合されているものとみなせる。そして、原動機の制御目標値（Ｎgref）を同期周波数（Ｎg）よりも例えば４％程度高く設定することにより、増速しようとするガスタービン発電装置からエネルギーが系統に流入することになる。なお，この場合、実際の回転数は系統の回転数（同期周波数）となる。なお、制御目標値（Ｎgref）は高ければ高いほど出力が上がる。すなわち、原動機の回転数と出力電力はほぼ比例関係にあるといえる。したがって、回転数の変動が出力電力の変動に結びつくことになる。
【０００５】
なお、本発明に関連する先行技術として、特許文献１〜３が開示されている。
【０００６】
特許文献１の「ガスタービンの制御装置」は、アイドル時等にも所定の燃焼器入口温度を保ち、低ＮＯｘ燃焼を可能にするものであり、図５に示すように、コンプレッサ５０の入口ならびにパワータービン５１の入口にそれぞれ可変案内翼５２、５３を設け、燃焼器５４の入口に燃料の予蒸発予混合室を設けたガスタービンにおいて、アクセル開度の検出手段５５と、燃焼器５４の入口空気温度の検出手段５６と、アクセル開度からガス発生機軸５７の目標回転数を算出する目標回転数算出手段５８と、ガス発生機軸５７の回転数が目標回転数となるように燃焼器５４への燃料を制御する燃料制御手段５９と、アクセル開度が設定値以下のときパワータービン５１の回転数を所定回転数に保つようにパワータービン入口可変案内翼５３を駆動制御する回転数制御手段６０と、この制御時に燃焼器５４の入口空気温度を所定温度に保つようにコンプレッサ入口可変案内翼５２を駆動制御する入口空気温度制御手段６１とを設けるものである。
【０００７】
特許文献２の「ガスタービンの回転数制御方法および回転数制御装置」は、積分器の前に低位選択器および高位選択器が設けられていても、ガスタービンの出力軸回転数を回転数指令値に一致させることができるようにするものであり、図６に示すように、低位選択手段と高位選択手段とを備えてなるガスタービンの回転数のフィードバック制御方法において、第１積分手段６３により回転数偏差をゼロとし、第２積分手段６４により回転数制御演算結果と他の制御演算結果との制御要求量に応じた制御を行うものである。
【０００８】
特許文献３の「ガスタービン発電機の制御装置」は、電圧波形歪み率に抑えつつ燃費の低減をはかるものであり、図７に示すように、負荷Ｌに応じた目標エンジン回転数Ｎｓｅｔを設定する目標エンジン回転数設定手段７２と、エンジン回転数Ｎを目標エンジン回転数Ｎｓｅｔに近づけるように燃料噴射量をフィードバック制御するエンジン回転数制御手段７４と、目標電圧波形歪み率Ｄｓｅｔを設定する目標電圧波形歪み率設定手段７５と、設定された目標電圧波形歪み率Ｄｓｅｔに応じて目標エンジン回転数Ｎｓｅｔを補正する目標エンジン回転数補正手段７６を備えるものである。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１０６４６９号公報
【特許文献２】特開平８−９３５０３号公報
【特許文献３】特開平１０−８９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したアイソクロナス制御と回転数ドループ制御の制御モードは、ガスタービン発電装置の運転中に必要に応じて短時間に切替えが可能なようにする必要がある。この切替えに際しては、回転数制御を行わせているものでは、回転数目標値を変化させることににより、発電機回転数、出力電力に変動を与えないような制御が要求される。
【００１１】
しかし、従来、回転数ドループ制御モード（比例制御）からアイソクロナス制御（積分制御）に切り替える際に、積分のアンチワインドアップとして積分の初期値を適切に選ぶ方式が適用されていたが、それでも制御モード切替時に回転数制御燃料流量の変動を伴い、回転数の変動や出力電力の変動を引き起こしていた。
なお、アンチワインドアップとは、比例制御から積分制御に切り替えるときに、積分の初期値を制御量が変化しないように設定する動作をいう。
【００１２】
言い換えれば、従来は、制御モードの切り替え時に積分の初期化のみを行うので、積分制御から比例制御に遷移させるときには、回転数の偏差がない状態で切り替えるため、一時的に回転数制御燃料流量が減り、回転数が変動することにより、必要燃料流量が計算されることになるので、回転数の変動が発生していた。
【００１３】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アイソクロナス制御と回転数ドループ制御の制御モードを、ガスタービン発電装置の運転中に必要に応じて短時間に切替えることができ、かつ発電機回転数及び出力電力の変動を低減することができるガスタービン発電装置の制御モード切替方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、ガスタービン発電装置の制御モード切替方法であって、
（Ａ）アイソクロナス制御から回転数ドループ制御への切り替えにおいて、現在の制御燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、これを比例ゲインＫpで割った値を切り替え後の回転数偏差として現在の実回転数Ｎgに加算し、
（Ｂ）回転数ドループ制御からアイソクロナス制御への切り替えにおいて、回転数目標値Ｎgrefを現在の実回転数Ｎgに維持し、現在の燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、積分演算部の初期値とする、ことを特徴とするガスタービン発電装置の制御モード切替方法が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、（Ｃ）アイソクロナス制御から出力ドループ制御への切り替えにおいて、積分制御はそのまま引き続き適用し、現在の出力電力を最大電力で割った値に速度加算率を掛けた値を回転数偏差とする。
【００１６】
また本発明によれば、回転数ドループ制御目標値計算手段により、現在の燃料流量Ｗfと定常燃料流量Ｗfssおよび現在の回転数Ｎｇから回転数ドループ制御モードにおける回転数目標値Ｎgrefを計算し、
出力ドループ制御目標値計算手段により、現在の出力電力Ｐおよび定格回転数Ｎから出力ドループ制御モードにおける回転数目標値Ｎgrefを計算し、
回転数目標値選択手段により、選択した制御モードに応じ、ガスタービンの回転数目標値Ｎgrefを選択し、
回転数目標値積算手段により、回転数上下のための増速指令、減速指令による回転数目標値の積算を行い、かつガバナモードが遷移した時にこの積算値を回転数目標値選択手段で選択された値で初期化し、
回転数偏差演算器により、回転数目標値Ｎgrefと現在の回転数Ｎgとの偏差ΔＮを演算し、
積分演算器により、回転数目標値と現在の回転数の偏差ΔＮに比例ゲインを掛け、更にその値に積分ゲインＫｉを掛け、前回値と加算して積分を行い、かつ積分初期化パルスにより、積分値を現在の状態を崩さないような値で初期化する、ことを特徴とするガスタービン発電装置の制御モード切替方法が提供される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、比例演算器により、回転数目標値と現在の回転数の偏差ΔＮに比例ゲインＫpを掛け、その値に定常燃料流量Ｗfssを加算して、ドループ制御における燃料流量Ｗfrefを計算し、
燃料流量加算器により、比例演算器、積分演算器からの燃料流量を加算して、回転数制御の燃料流量Ｗfrefを計算する。
【発明の効果】
【００１８】
##  本発明は、制御モードの切替え時において、回転数の目標値、積分初期化時において、適切な値をリアルタイムに計算することにより変動を避けることを可能にしたものである。
【００１９】
すなわち、上記本発明の方法によれば、アイソクロナスから回転数ドループ制御モードへの切り替えにおいては現在の燃料流量（Ｗfref）から定常燃料流量（Ｗfss）を減算したものが回転数偏差により生み出される燃料流量であるので、ドループゲイン（Ｋp）で割った値が実際に必要とする回転数偏差となる。
【００２０】
また、回転数ドループから、アイソクロナス制御モードへの切り替えにおいては、回転数目標値演算器は現在の回転数を維持するのであるから、目標値＝現在値となる。一方、積分の初期値は回転数の偏差がなくなるので、比例演算部で生み出される燃料流量は定常燃料流量のみとなるので、現在の燃料流量からこの定常燃料流量を引いたものが積分演算部で生み出されればよいことになる。
【００２１】
さらに、アイソクロナスから出力ドループモードの切り替えにおいては、積分制御はそのまま引き続き使用するので初期化は必要ではないが、最大出力運転時に回転数偏差を標準的な速度加算率（例えば４％）としたいため、現在の出力電力を維持することから、現在の出力電力を最大電力で割った値に速度加算率（４％）を掛けた値を回転数偏差としてやれば、出力電力の変動を生ずることなく制御モードの切り替えが可能となる。
【００２２】
従って、本発明の方法により以下の効果が得られる。
（１）  単独運転への制御モード切り替え時に回転数の変動を抑えることができるので発電周波数が変動しない。
（２）  系統連係運転への制御モード切り替え時に出力電力の変動を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、ガスタービン発電装置の制御モード切替方法を示すブロック図である。  この図に示すように、本発明の方法は、ステップＳ１〜Ｓ９からなる。
【００２４】
ステップS1において、回転数ドループ制御目標値計算手段により、現在の燃料流量Wfと定常燃料流量Ｗfssおよび現在の回転数Ngから回転数ドループ制御モードにおける回転数目標値Ngrefを計算する。このステップS1において、現在の制御燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、これを比例ゲインＫpで割った値を切り替え後の回転数偏差として現在の実回転数Ngに加算して回転数目標値Ngrefを計算する。
【００２５】
ステップS２において、出力ドループ制御目標値計算手段により、現在の出力電力Pおよび定格回転数Nから出力ドループ制御モードにおける回転数目標値Ngrefを計算する。このステップS２において、積分制御はそのまま引き続き適用し、現在の出力電力を最大電力で割った値に速度加算率（例えば４％）を掛けた値を回転数偏差とする。
【００２６】
ステップS３において、ガバナモード選択手段により、エンジン運転の制御モードのうちの１つを選択し、かつ制御モードが遷移した時に回転数目標値選択手段および積分初期化を行わせるための回転数目標値選択パルスを発生する。
【００２７】
ステップS４において、回転数目標値選択手段により、選択した制御モードに応じ、ガスタービンの回転数目標値Ngrefを選択する。なお、制御モードが回転数ドループ制御からアイソクロナス制御への切り替えの場合には、回転数目標値Ngrefを現在の実回転数Ngに維持し、現在の燃料流量Ｗfrefから定常燃料流量Ｗfssを減算し、積分演算部の初期値とする。
【００２８】
ステップS５において、回転数目標値積算手段により、回転数上下のための増速指令、減速指令による回転数目標値の積算を行い、かつガバナモードが遷移した時にこの積算値を回転数目標値選択手段で選択された値で初期化する。
【００２９】
ステップS６において、回転数偏差演算器により、回転数目標値Ngrefと現在の回転数Ngとの偏差ΔNを演算する。
【００３０】
ステップS７において、積分演算器により、回転数目標値と現在の回転数の偏差ΔNに積分ゲインKiを掛け、前回値と加算して積分を行い、かつ積分初期化パルスにより、積分値を現在の状態を崩さないような値で初期化する。この積分は回転数の偏差ΔNがなくなるまで行われる。
【００３１】
ステップS８において、比例演算器により、回転数目標値と現在の回転数の偏差ΔNに比例ゲインKpを掛け、その値に定常燃料流量Wfssを加算して、ドループ制御における燃料流量Wfrefを計算する。
ステップS９において、燃料流量加算器により、比例演算器、積分演算器からの燃料流量を加算して、回転数制御の燃料流量Wfrefを計算する。
【００３２】
上述した制御モードの遷移方向と回転数目標値の初期化、積分の初期化の要否を表にすると次のようになる。なおこの表で、Ｎgcentとは、系統の同期回転数に相当する回転数であり、図１における定格回転数を意味する。
【００３３】
【表１】
2005036767.tif 000003
【００３４】
（１）  アイソクロナスから回転数ドループ制御モードへの切り替えにおいては現在の燃料流量（Ｗfref）から定常燃料流量（Ｗfss）を減算したものが回転数偏差により生み出される燃料流量であるので、ドループゲイン（Ｋp）で割った値が実際に必要とする回転数偏差となる。
（２）  回転数ドループから、アイソクロナス制御モードへの切り替えにおいては、回転数目標値演算器は現在の回転数を維持するのであるから、目標値＝現在値となる。一方、積分の初期値は回転数の偏差がなくなるので、比例演算部で生み出される燃料流量は定常燃料流量のみとなるので、現在の燃料流量からこの定常燃料流量を引いたものが積分演算部で生み出されればよいことになる。
（３）  アイソクロナスから出力ドループモードの切り替えにおいては、積分制御はそのまま引き続き使用するので初期化は必要ではないが、最大出力運転時に回転数偏差を標準的な４％としたいため、現在の出力電力を維持することから、現在の出力電力を最大電力で割った値に４％を掛けた値を回転数偏差としてやれば、出力電力の変動を生ずることなく制御モードの切り替えが可能となる。
なお、出力ドループとは、出力電力を制御するために出力電力の偏差から燃料流量を計算するモードである。またガバナモードとは回転数制御モードと同義である。
【実施例１】
【００３５】
図２は、本発明の第１実施例である。この例は、回転数ドループ制御モードにおいてアイソクロナス制御モードに切り替えた際の、回転数目標値Ngrefと実回転数Ngpの変化を示している。なおこの図で横軸は時間（単位0.25sec）、左縦軸は制御燃料流量Ｗfrefと負荷Load（単位kW/h）、右縦軸は回転数目標値Ngrefと実回転数Ngpの回転数(rpm)である。
この図から、回転数ドループ制御モードから緊急遮断等でアイソクロナス制御モードに切り替えても、負荷Loadが急変するにも係わらず、実回転数Ngpの変動は少なく、約０.５〜０.６秒で所定の回転速度に安定することがわかる。なお、従来例ではこの場合、操作員の手動切替を必要とし、かつ回転速度の安定までに少なくとも１０秒前後を要していた。
【実施例２】
【００３６】
図３は、本発明の別の実施例である。この例は、単独負荷運転時のアイソクロナス制御モードから回転数ドループ制御モードに切り替えた際の、回転数目標値Ngrefと実回転数Ngpの変化を示している。なおこの図で横軸は時間（単位0.25sec）、左縦軸は制御燃料流量Ｗfrefと負荷Load（単位kW/h）、右縦軸は回転数目標値Ngrefと実回転数Ngpの回転数(rpm)である。
単独負荷運転から系統と同期をとり、再同期投入を行う場合、位相の遅れ側から投入すると逆電力状態となるが、直ぐに増速指令を入れることにより、逆電力ドリップは避けられる。また、この切替の際に、目標回転数を持ち上げて燃料流量が変化しないようになっているが、アイソクロナス制御モードにおいて正しく１００％回転数になっていない場合には、出力が変化することがわかる。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の制御モード切替方法を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例である。
【図３】本発明の別の実施例である。
【図４】アイソクロナス制御と回転数ドループ制御の説明図である。
【図５】特許文献１の模式図である。
【図６】特許文献２の模式図である。
【図７】特許文献３の模式図である。
【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】
2005036767.tif 000008
【図６】
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【図７】
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