(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、
前記ガスタービンに結合されて運転される同期機と、
前記同期機との間で電力を入出力する電力供給装置と、
前記電力供給装置を制御する制御装置
とを備え、
前記制御装置は、（ａ）停止状態にある前記ガスタービンを、前記ガスタービンの回転数が所定の着火回転数に到達するように前記同期機が前記ガスタービンを駆動するように前記電力供給装置を制御し、（ｂ）前記着火回転数で前記ガスタービンが着火された後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を前記着火回転数で一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御し、且つ、（ｃ）前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったことに応答して前記電力供給装置と前記同期機とを電気的に切り離す
ガスタービンプラント。
【請求項２】
ガスタービンと、
前記ガスタービンに結合されて運転される同期機と、
前記同期機との間で電力を入出力する電力供給装置と、
前記電力供給装置を制御する制御装置
とを備え、
前記制御装置は、（ａ）停止状態にある前記ガスタービンを、前記ガスタービンの回転数が所定の着火回転数に到達するように前記同期機が前記ガスタービンを駆動するように前記電力供給装置を制御し、（ｂ）前記着火回転数で前記ガスタービンが着火された後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御し、（ｃ）前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になった時、前記ガスタービンのトルクの増加によって前記ガスタービンの回転数が増加を開始するように前記電力供給装置を制御し、（ｄ）前記回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達した後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を前記切り離し回転数に一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御し、（ｅ）前記ガスタービンの回転数が前記切り離し回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったことに応答して前記電力供給装置と前記同期機とを電気的に切り離す
ガスタービンプラント。
【請求項３】
ガスタービンと、
前記ガスタービンに結合されて運転される同期機と、
前記同期機との間で電力を入出力する電力供給装置と、
前記電力供給装置を制御する制御装置
とを備え、
前記制御装置は、（ａ）停止状態にある前記ガスタービンを、前記ガスタービンの回転数が所定の着火回転数に到達するように前記同期機が前記ガスタービンを駆動するように前記電力供給装置を制御し、（ｂ）前記着火回転数で前記ガスタービンが着火された後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御し、（ｃ）前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったとき、前記ガスタービンのトルクの増加によって前記ガスタービンの回転数が増加を開始するように前記電力供給装置を制御し、（ｄ）前記回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達したことに応答して前記電力供給装置と前記同期機とを電気的に切り離し、
前記制御装置は、前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数から前記切り離し回転数に到達するまでの間、前記同期機が出力する前記トルクを実質的に０に保つ
ガスタービンプラント。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスタービンプラントにおいて、
前記制御装置は、前記トルクを前記同期機に入出力される電力に基づいて算出する
ガスタービンプラント。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスタービンプラントにおいて、
前記電力供給装置は、前記同期機から受け取った電力を消費する回生抵抗を含み、
前記制御装置は、前記トルクを前記回生抵抗で消費された消費電力から算出する
ガスタービンプラント。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスタービンプラントにおいて、
前記制御装置は、前記同期機と前記電力供給装置とを結ぶ３相電源線を流れる３相電流と、前記同期機の回転子の位置を検出し、前記３相電流と前記回転子の位置から前記同期機の電機子電流の横軸成分を算出し、更に、前記トルクを、前記同期機の電機子電流の横軸成分から算出する
ガスタービンプラント。
【請求項７】
電力供給装置から同期機に電力を供給することによって前記同期機によりガスタービンを駆動して、前記ガスタービンの回転数を所定の着火回転数にするステップと、
前記ガスタービンを着火するステップと、
前記着火回転数で前記ガスタービンが着火された後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を前記着火回転数で一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記同期機に電力を供給するステップと、
前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったことに応答して前記電力供給装置と前記同期機とを電気的に切り離すステップ
とを具備する
ガスタービンプラントの起動方法。
【請求項８】
電力供給装置から同期機に電力を供給することによって前記同期機によりガスタービンを駆動して、前記ガスタービンの回転数を所定の着火回転数にするステップと、
前記ガスタービンを着火するステップと、
前記着火回転数で前記ガスタービンが着火された後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御するステップと、
前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったとき、前記ガスタービンのトルクの増加によって前記ガスタービンの回転数が増加を開始するように前記電力供給装置を制御するステップと、
前記回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達した後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を前記切り離し回転数に一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御するステップと、
前記ガスタービンの回転数が前記切り離し回転数で一定に保たれているとき、前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったことに応答して前記電力供給装置と前記同期機とを電気的に切り離す
ガスタービンプラントの起動方法。
【請求項９】
電力供給装置から同期機に電力を供給することによって前記同期機によりガスタービンを駆動して、前記ガスタービンの回転数を所定の着火回転数にするステップと、
前記ガスタービンを着火するステップと、
前記着火回転数で前記ガスタービンが着火された後、前記ガスタービンのトルクの増加に対して前記ガスタービンの回転数を一定に保つようなトルクを前記同期機が出力するように前記電力供給装置を制御するステップと、
前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数で一定に保たれているときに前記同期機が出力するトルクを監視して、前記同期機が出力するトルクが実質的に０になったとき、前記ガスタービンのトルクの増加によって前記ガスタービンの回転数が増加を開始するように前記電力供給装置を制御するステップと、
前記回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達したことに応答して前記電力供給装置と前記同期機とを電気的に切り離すステップ
とを具備し、
前記ガスタービンの回転数が前記着火回転数から前記切り離し回転数に到達するまでの間、前記同期機が出力する前記トルクが実質的に０に保たれる
ガスタービンプラントの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラント及びその起動方法に関する。本発明は、特に、ガスタービンに、発電機及び電動機として兼用される同期機が結合されたガスタービンプラント及びその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンに、発電機及び電動機として兼用される同期機とが結合されたガスタービン発電プラントが、広く使用されている。
【０００３】
このようなガスタービン発電プラントを起動する場合、まず、起動装置により電力が同期機に供給され、同期機がガスタービンを駆動する電動機として使用される。同期機によりガスタービンが駆動されて、ガスタービンのガスタービン軸が着火回転数まで加速される。ガスタービン軸を着火回転数に到達した後、ガスタービンの燃焼器が着火される。燃焼器が着火されると、ガスタービンはトルクの発生を開始し、ガスタービン軸には、ガスタービンが発生するトルクと、電動機として使用される同期機が発生するトルクとが印加される状態になる。このとき、ガスタービン軸の回転数が過度に上昇しようとした場合には、同期機が回生ブレーキとして作用し、ガスタービン軸の回転数は、一定に保たれるように制御される。着火の後、ガスタービンが自立的に運転が可能になると、同期機に電力を供給する起動装置が、同期機から切り離される。その後、同期機の発電機としての使用が開始され、同期機は、ガスタービンにより駆動されて電力を出力し、発電を行う。
【０００４】
ガスタービンの自立的な運転を開始するために、同期機に電力を供給する起動装置が同期機から切り離されると、同期機によるガスタービン軸へのトルクの供給が停止され、または、同期機が回生ブレーキとして作用しなくなり、ガスタービン軸の回転数の変動の要因となる。ガスタービンのガスタービン軸の回転数の急激な変動は、ガスタービンの燃焼に影響する。ガスタービン軸の回転数が急激に変動すると、ガスタービンのコンプレッサが発生する圧縮空気の圧力と流量とが急変する。圧縮空気の圧力と流量との急変は、ガスタービンの燃焼器の燃焼に影響し、最悪の場合、燃焼の停止を招くことがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ガスタービンの回転数の急変が防止され、安定的にガスタービンが起動可能なガスタービンプラント及びその起動方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段が説明される。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００７】
本発明によるガスタービンプラントは、ガスタービン（１）と、ガスタービン（１）に結合されて運転される同期機（２）と、同期機（２）との間で電力を入出力する電力供給装置（４）と、電力供給装置（４）を制御する制御装置（１４）
とを備えている。制御装置（１４）は、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクに対応する物理量に基づいて、電力供給装置（４）を制御する。同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクに基づいて、電力供給装置（４）を制御することにより、ガスタービン（１）の回転数の急変が防がれる。
【０００８】
制御装置（１４）は、前記ガスタービン（１）が着火された後、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である時に、電力供給装置（４）と同期機（２）とを電気的に切り離すことが好ましい。これにより、電力供給装置（４）と同期機（２）とを電気的に切り離す時に発生しうるガスタービン（１）の回転数の急変が防がれる。
【０００９】
制御装置（１４）は、前記ガスタービン（１）が着火された後、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である第１時刻（ｔ１１）においてガスタービン（１）の回転数が増加を開始するように電力供給装置（４）を制御し、且つ、ガスタービン（１）の回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達した後、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である第２時刻（ｔ１２）において、電力供給装置（４）と同期機（２）とを電気的に切り離すことが好ましい。
【００１０】
制御装置（１４）は、ガスタービン（１）が着火された後、前記ガスタービン（１）の回転数を、ガスタービン（１）が着火された着火回転数から所定の切り離し回転数まで増加する増加制御を行い、且つ、ガスタービン（１）の回転数が切り離し回転数になった時、前記電力供給装置（４）と前記同期機（２）とを電気的に切り離す場合がある。この場合、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクは、増加制御が行われている間、実質的に０に保たれることが好ましい。
【００１１】
同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクに対応する物理量は、同期機（２）と電力供給装置（４）の間で入出力される電力であることがある。また、電力供給装置（４）が前記同期機（２）から受け取った電力を消費する回生抵抗（９）を含む場合、前記物理量は、回生抵抗（９）で消費された消費電力であることがある。また、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクに対応する物理量は、同期機（２）の電機子電流の横軸成分であることがある。
【００１２】
このように、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが直接に測定されず、間接的に測定されることは、ガスタービン（１）が高い回転数で運転される場合のトルクの算出を容易にする。ガスタービン（１）が高い回転数で運転される場合、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクをトルク測定機によって直接に測定することは、実質的に困難である。このような場合、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクに対応する物理量に基づいて、間接的にトルクが算出されることにより、トルクの算出が容易になる。
【００１３】
本発明によるガスタービンプラントの制御方法は、
ガスタービン（１）と同期機（２）とを結合して運転することと、
同期機（２）と電力供給装置（４）との間で電力を入出力することと、
同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクに対応する物理量を測定することと、
測定された物理量に基づいて、電力供給装置（４）を制御すること
とを備えている。
【００１４】
本発明によるガスタービンプラントの起動方法は、
同期機（２）と電力供給装置（４）との間で電力を入出力するステップと、
同期機（２）によりガスタービン（１）を駆動して、ガスタービン（１）の回転数を着火回転数にするステップと、
ガスタービン（１）を着火するステップと、
ガスタービン（１）が着火された後、同期機（１）がガスタービン（２）に出力するトルクが実質的に０である時に、電力供給装置（４）と同期機（２）とを電気的に切り離すステップ
とを備えている。
【００１５】
本発明による他のガスタービンプラントの起動方法は、
同期機（２）と電力供給装置（４）との間で電力を入出力するステップと、
同期機（２）によりガスタービン（１）を駆動して、ガスタービン（１）の回転数を所定の着火回転数にするステップと、
ガスタービン（１）を着火するステップと、
ガスタービン（１）が着火された後、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である第１時刻において、ガスタービン（１）の回転数が増加を開始するように電力供給装置（４）を制御するステップと、
ガスタービン（１）の回転数を増加して、ガスタービン（１）の回転数を着火回転数から着火回転数より高い所定の切り離し回転数にするステップと、
ガスタービン（１）の回転数が切り離し回転数であり、且つ、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である第２時刻において、電力供給装置（４）と同期機（２）とを電気的に切り離すステップ
とを備えている。
【００１６】
本発明による更に他のガスタービンプラントの起動方法は、
同期機（２）と電力供給装置（４）との間で電力を入出力するステップと、
同期機（２）によりガスタービン（１）を駆動して、ガスタービン（１）の回転数を所定の着火回転数にするステップと、
ガスタービン（１）を着火するステップと、
ガスタービン（１）が着火された後、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である第３時刻において、ガスタービン（１）の回転数が増加し始めるように電力供給装置（４）を制御するステップと、
同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクを実質的に０に保ちながらガスタービン（１）の回転数を増加して、回転数を着火回転数から着火回転数より高い所定の切り離し回転数にするステップと、
ガスタービン（１）の回転数が前記切り離し回転数であり、且つ、同期機（２）がガスタービン（１）に出力するトルクが実質的に０である第４時刻において、電力供給装置（４）と同期機（２）とを電気的に切り離すステップ
とを備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明によるガスタービンプラントの実施の形態を説明する。
【００１８】
（実施の第１形態）
本発明によるガスタービンプラントの実施の第１形態では、図１に示されているように、ガスタービン１が３相の同期機２とともに設けられている。ガスタービン１のガスタービン軸は同期機２の回転子に連結され、ガスタービン１のガスタービン軸は同期機２の回転子と同体に回転する。
【００１９】
同期機２は発電機と電動機とに兼用され、ガスタービン１と同期機２との間で動力が入出力される。ガスタービン１を起動する場合、同期機２は電動機として使用され、ガスタービン１のガスタービン軸を着火回転数まで加速する。ガスタービン１が着火されてガスタービン１が自立的に運転可能になった後、同期機２は、発電機としての動作を開始し、ガスタービン１により駆動されて発電を開始する。同期機２は、電力変換器３に接続されている。
【００２０】
電力変換器３は、同期機２に電力を供給し、同期機２が発生する電力をその内部で消費し、また、同期機２が発生する電力を外部に出力する。電力変換器３は、同期機２が電動機として使用されるとき、同期機２に３相交流電力を供給する。また、同期機２から電力変換器３に３相電力が供給されるときに同期機２を回生ブレーキとして作用させる場合、電力変換器３は、同期機２から電力変換器３に供給される３相電力を、その内部で消費する。更に電力変換器３は、同期機２が３相の発電機として使用されるとき、同期機２が発生する３相交流を、他の周波数を有する３相交流に変換して外部に出力する。高速回転するガスタービン１が発生する３相交流の周波数は、動力源として一般に使用される周波数よりも高い。そこで、電力変換器３により周波数変換が行われ、一般に使用される周波数を有する３相交流が発生される。
【００２１】
電力変換器３の構成を、以下に説明する。電力変換器３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を備えている。ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、３相電源線５−１〜５−３を介して同期機２に接続されている。ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、同期機２が電動機として動作されるとき、３相電源線５−１〜５−３を介して同期機２の電機子に３相交流を供給する。逆に同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に３相交流が供給される場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、供給された３相交流を変換して直流を発生し、発生した直流を直流電源線６−１、６−２に出力する。直流電源線６−１、６−２のうち、直流電源線６−１には直流電圧が印加され、直流電源線６−２は接地される。直流電源線６−１、及び６−２の間には、直流電源線６−１の電圧を維持するキャパシタ８が介設される。直流電源線６−１、及び６−２の間には、更に、直列に接続された回生抵抗９とスイッチング素子１１とが介設される。スイッチング素子１１がオン状態になると、回生抵抗９を介して直流電源線６−１から直流電源線６−２に電流が流れる。直流電源線６−１、６−２は、ＤＣ−ＡＣコンバータ７に接続されている。ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、系統コントローラ１２に接続されている。ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、同期機２が３相の発電機として使用されるとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ４から供給された直流を、一般に使用される周波数を有する３相交流に変換する。ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、系統コントローラ１２の制御の下、直流から３相交流に変換して生成した３相交流を系統線１３−１〜１３−３に出力する。
【００２２】
ＡＣ−ＤＣコンバータ４とスイッチング素子１１とは、コンバータコントローラ１４に接続される。コンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４とスイッチング素子１１とを制御して、ガスタービン１の起動を制御する。より詳細には、コンバータコントローラ１４は、同期機２に３相交流を供給する場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ４に３相電源線５−１〜５−３のそれぞれの電圧の指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を与え、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する。ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に一致するように、３相電源線５−１〜５−３のそれぞれの電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを出力する。更に、コンバータコントローラ１４は、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に３相交流が供給される場合に、スイッチング素子１１を制御して回生抵抗９に電流を流し、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給される電力を消費する。同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に３相交流が供給されると、直流電源線６−１の電圧が上昇する。直流電源線６−１の電圧が上昇して、直流電源線６−１の電圧が所定の基準電圧ＶＳＴＤになると、ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、スイッチング素子１１をオン状態にして、回生抵抗９を介して直流電源線６−１から直流電源線６−２に電流を流す。これにより、直流電源線６−１の電圧が所定の基準電圧ＶＳＴＤに維持される一方、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給された電力が回生抵抗９で消費される。更にコンバータコントローラ１４は、同期機２に入出力されるトルクを検出し、検出されたトルクに基づいて、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を同期機２から電気的に分離するタイミングを定める。
【００２３】
続いて、図２を参照して、実施の第１形態のガスタービンプラントの起動方法を説明する。
【００２４】
図２に示されているように、初期状態において、ガスタービン１は静止状態にあり、ガスタービン１のガスタービン軸の回転数が０であるとする。以下では、ガスタービン１のガスタービン軸の回転数は、単に、ガスタービン１の回転数と記載される。ガスタービン１の回転数が０であるとき、ガスタービン１のガスタービン軸と同体に回転する同期機２の回転子の回転数も０である。電力変換器３のコンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して、同期機２への三相交流の供給を開始する。このとき、ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、系統線１３−１〜１３−３から供給された電力を、直流電源線６−１及び６−２を通じてＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給する。三相交流の供給を受けた同期機２は、トルクを出力してガスタービン１のガスタービン軸を加速する。
【００２５】
ある時間が経過すると、ガスタービン１の回転数が着火回転数に到達する。着火回転数は、典型的には２０，０００ｒｐｍである。ガスタービン１の回転数が着火回転数に到達した後、ある一定の時間、ガスタービン１の回転数は着火回転数に維持される。この間、同期機２は、ある一定のトルクを出力し続ける。
【００２６】
その後、ガスタービン１の燃焼器が着火される。ガスタービン１の燃焼器が着火されると、ガスタービン１は、トルクの発生を開始する。ガスタービン１が発生するトルクは徐々に増加する。このとき、コンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して同期機２への三相交流の供給を調整し、ガスタービン１の回転数を一定に保つ。同期機２が出力するトルクＴＭは、ガスタービン１が発生するトルクの増加に応じて減少する。
【００２７】
ガスタービン１の着火の後、コンバータコントローラ１４は、同期機２が出力するトルクＴＭを監視し、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を同期機２から電気的に切り離すタイミングを決定する。コンバータコントローラ１４は、同期機２が出力するトルクが、実質的に０になったとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を同期機２から電気的に切り離す。但し、同期機２が出力するトルクは、同期機２からガスタービン１にトルクが出力される場合、即ち、同期機２が電動機として作用する場合に正の符号をとり、ガスタービン１から同期機２にトルクが入力される場合、即ち、同期機２が発電機として作用し、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に電力が供給される場合に負の符号を取るものとする。同期機２が出力するトルクＴＭが、実質的に０になったとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されることにより、ガスタービン１の負荷の変動が抑えられ、ガスタービン１のガスタービン軸の回転の急変が防がれる。
【００２８】
このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されるときに同期機２が出力しているトルクＴＭは、実質的に０であり、且つ、負の値であることが好ましい。即ち、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されるときに同期機２が出力するトルクＴＭは、微小に負の値であることが好ましい。ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離された状態でも、空転する同期機２は、ある程度、ガスタービン１の負荷になる。同期機２が出力するトルクＴＭが微小に負の値であることは、ガスタービン１が微小なトルクを出力することに相当する。従って、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されるときに同期機２が出力するトルクＴＭが、微小に負の値であることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離される前後のガスタービン１の負荷の変動がより抑えられる。
【００２９】
同期機２が出力するトルクＴＭは、
（１）同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に出力される回生電力ＰＡＣ
（２）電力変換器３に含まれる回生抵抗９が消費する電力ＰＲ
（３）同期機２の電機子を流れる電機子電流の横軸成分ｉγ
のうちのいずれかに基づいて算出される。
【００３０】
同期機２が出力するトルクＴＭは、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に出力される回生電力ＰＡＣに一対一に対応し、ＴＭ＝−ＰＡＣ／ωで算出される。ωは、同期機２の回転子の角周波数、即ち、ガスタービン１のガスタービン軸の角周波数である。ガスタービン１から同期機２にトルクが入力されるとき（即ち、同期機２が負のトルクを出力するとき）、同期機２はガスタービン１により駆動され、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に回生電力ＰＡＣが供給される。従って、回生電力ＰＡＣに基づいて、同期機２が出力するトルクＴＭを算出することが可能である。
【００３１】
同期機２が出力するトルクＴＭが、回生電力ＰＡＣに基づいて算出される場合、コンバータコントローラ１４は、同期機２の電機子とＡＣ−ＤＣコンバータ４とを接続する３相電源線５−１〜５−３の電圧ｖｕ、ｖｖ、及びｖｗ、並びに３相電源線５−１〜５−３に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗを検出し、電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ及び電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに基づいて、電力ＰＡＣを算出する。電圧ｖｕ、ｖｖ、及びｖｗは、同期機２の電気子の電圧の、ｕ相成分、ｖ相成分、及びｗ相成分にそれぞれ一致する。また、電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗは、同期機２の電気子電流のｕ相成分、ｖ相成分、及びｗ相成分にそれぞれ一致する。電力ＰＡＣは、電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ、及び電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを用いて、
ＰＡＣ＝ｖｕｉｕ＋ｖｖｉｖ＋ｖｗｉｗ
で表される。コンバータコントローラ１４は、電力ＰＡＣから、同期機２が出力するトルクＴＭを求める。このとき、３相電源線５−１〜５−３の電圧ｖｕ、ｖｖ、及びｖｗの代わりに、コンバータコントローラ１４がＡＣ−ＤＣコンバータ４に与える指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊が使用されることが可能である。また、電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの全てが測定される必要は必ずしもなく、電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのうちの２つが測定され、他の１つは、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０から求められることも可能である。
【００３２】
また、同期機２が出力するトルクＴＭは、電力変換器３に含まれる回生抵抗９で消費される電力ＰＲに一対一に対応する。コンバータコントローラ１４は、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に３相交流が供給される場合に、供給された３相交流を直流に変換して直流電源線６−１、６−２に出力する。直流電源線６−１、６−２に介設された回生抵抗９に電流を流されることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給された３相交流が消費される。このとき、ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、直流電源線６−１、６−２から電気的に切り離された状態になり、直流電源線６−１、６−２に何らの影響も与えない。回生抵抗９が消費する電力ＰＲは、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給された電力に一対一に対応し、同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給された電力は、同期機２が発生するトルクＴＭに一対一に対応する。従って、回生抵抗９が消費する電力ＰＲは、同期機２が出力するトルクＴＭに一対一に対応する。
【００３３】
回生抵抗９で消費される電力ＰＲは、回生抵抗９を流れる電流ｉＲから算出可能である。回生抵抗９を流れる電流ｉＲに基づいて電力ＰＲを算出する場合、コンバータコントローラ１４は回生抵抗９を流れる電流ｉＲを監視する。コンバータコントローラ１４は、回生抵抗９の抵抗Ｒと電流ｉＲから回生抵抗９で消費される電力ＰＲを算出する。
【００３４】
また、回生抵抗９で消費される電力ＰＲは、回生抵抗９を流れる電流ｉＲのデューティー比ｒＲから算出可能である。コンバータコントローラ１４は、直流電源線６−１が上昇して所定の基準電圧ＶＳＴＤになると、回生抵抗９に電流ｉＲを流すスイッチング素子１１がオン状態になり、直流電源線６−１は、実質的に、基準電圧ＶＳＴＤで維持される。回生抵抗９に印加される電圧は、実質的に、基準電圧ＶＳＴＤで一定であり、従って、スイッチング素子１１がオン状態になったときに回生抵抗９を流れる電流は、Ｒは回生抵抗９の抵抗Ｒを用いて、ＶＳＴＤ／Ｒで一定である。ゆえに、ある期間における回生抵抗９を流れる電流ｉＲのデューティー比ｒＲが分かれば、ある期間において回生抵抗９で消費される電力ＰＲは、
ＰＲ＝ｒＲ・ＶＳＴＤ２／Ｒ
により算出可能である。
【００３５】
スイッチング素子１１のオン・オフを制御するコンバータコントローラ１４は、デューティー比ｒＲの算出の対象である期間Ｔのうちスイッチング素子１１をオン状態にした時間ｔＯＮを用いて、デューティー比ｒＲを
ｒＲ＝ｔＯＮ／Ｔ，
により算出する。コンバータコントローラ１４は、デューティー比ｒＲから、回生抵抗９で消費される電力ＰＲを算出し、更に、回生抵抗９が消費する電力ＰＲから、同期機２が出力するトルクＴＭを算出する。
【００３６】
更に、同期機２が出力するトルクＴＭは、同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγから算出可能である。同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγは、同期機２が出力するトルクＴＭに比例し、同期機２が出力するトルクＴＭに一対一に対応する。同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγから同期機２が出力するトルクＴＭを求める場合、コンバータコントローラ１４は、３相電源線５−１〜５−３に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗを検出する。電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗは、それぞれ、同期機２の電機子電流のｕ相電流、ｖ相電流、及びｗ相電流である。更に、コンバータコントローラ１４は、同期機２の回転子の回転子位置θを検出する。同期機２の回転子位置θは、３相電源線５−１〜５−３の電圧ｖｕ、ｖｖ、及びｖｗから算出可能である。コンバータコントローラ１４は、電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗ、及び回転子位置θを用いて、
【数１】
0003924141.tif 000002
により、同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγを算出する。コンバータコントローラ１４は、同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγから同期機２が出力するトルクＴを算出する。
【００３７】
このように、同期機２が出力するトルクＴＭが直接に測定されず、間接的に測定されることは、ガスタービン１が高い回転数で運転される場合のトルクの算出を容易にする。ガスタービン１が高い回転数で運転される場合、同期機２が出力するトルクをトルク測定機によって直接に測定することは、実質的に困難である。このような場合、上述のように、同期機２がガスタービン１に出力するトルクに対応する物理量に基づいて、間接的にトルクが算出されることにより、トルクの算出が容易になる。
【００３８】
コンバータコントローラ１４は、上述の方法によって同期機２が出力するトルクＴＭを算出し、同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０になった時、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を同期機２から電気的に切り離す。ガスタービン１は、自立運転を開始する。その後、ガスタービン１の回転数は、ガスタービン１自身の駆動力により上昇する。
【００３９】
ガスタービン１の回転数が、所定の発電回転数に到達すると、同期機２は再びＡＣ−ＤＣコンバータ４に電気的に接続される。このとき、同期機２は、発電機として使用が開始される。同期機２は、ガスタービン１により駆動されて発電し、３相交流をＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給する。ＡＣ−ＤＣコンバータ４は、同期機２から供給される３相交流を直流に変換し、ＤＣ−ＡＣコンバータ７に出力する。ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、供給された直流を３相交流に変換し、外部に出力する。
【００４０】
実施の第１形態では、ガスタービン１の着火の後、同期機２が出力するトルクＴが算出され、そのトルクＴが実質的に０になった時にＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から切り離される。これにより、ガスタービン１の回転数の急変が防止され、安定的にガスタービン１を起動することが可能になる。
【００４１】
（実施の第２形態）
本発明によるガスタービンプラントの実施の第２形態は、実施の第１形態と同一の構成を有するが、実施の第１形態と異なる手順でガスタービン１が起動される。
【００４２】
図３は、実施の第２形態でのガスタービンプラントの起動方法を示す。初期状態において、ガスタービン１が停止状態にあり、ガスタービン１の回転数が０であるとする。
【００４３】
まず、実施の第１形態と同様にして、ガスタービン１の着火が行われる。より詳細には、電力変換器３のコンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して、同期機２への三相交流の供給を開始する。このとき、ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、系統線１３−１〜１３−３から供給された電力を、直流電源線６−１及び６−２を通じてＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給する。三相交流の供給を受けた同期機２は、トルクを出力してガスタービン１のガスタービン軸を加速する。ある時間が経過すると、ガスタービン１の回転数が、着火回転数に到達する。着火回転数は、典型的には、２０，０００ｒｐｍである。ガスタービン１の回転数が、着火回転数に到達した後、ある一定の時間、ガスタービン１の回転数は着火回転数に維持される。この間、同期機２は、ある一定のトルクを出力し続ける。その後、ガスタービン１の燃焼器が着火される。
【００４４】
ガスタービン１が着火されると、ガスタービン１は、トルクの発生を開始する。ガスタービン１が発生するトルクは徐々に増加する。このとき、コンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して同期機２への三相交流の供給を調整し、ガスタービン１の回転数を一定に保つ。同期機２が出力するトルクＴＭは、ガスタービン１が発生するトルクの増加に応じて減少する。
【００４５】
実施の第２形態では、ガスタービン１の着火以降の起動手順が、実施の第１形態と異なる。既述のとおり、実施の第１形態では、ガスタービン１が着火された後、同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０になった時に、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から切り離される。
【００４６】
実施の第２形態では、ガスタービン１の着火の後、同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０になった時（時刻ｔ１１）、コンバータコントローラ１４は、ガスタービン１の回転数の増加を開始する。
【００４７】
同期機２が出力するトルクＴＭを算出するために、コンバータコントローラ１４は、
（１）同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に出力される回生電力ＰＡＣ
（２）電力変換器３に含まれる回生抵抗９が消費する電力ＰＲ
（３）同期機２の電機子を流れる電機子電流の横軸成分ｉγ
のうちのいずれかを監視する。コンバータコントローラ１４は、実施の第１形態と同様に、回生電力ＰＡＣ、回生抵抗９が消費する電力ＰＲ、同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγのいずれかに基づいて、同期機２が出力するトルクＴＭを算出する。算出したトルクＴＭが実質的に０になった時に、コンバータコントローラ１４は、ガスタービン１の回転数の増加を開始する。
【００４８】
同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０になった時に、ガスタービン１の回転数の増加を開始することにより、ガスタービン１の回転数の増加を開始する際に発生し得る回転数の急変が防がれている。このとき、ガスタービン１の回転数の増加を開始する時に同期機２が出力するトルクＴＭは、実質的に０であり、且つ、負の値であることが好ましい。即ち、ガスタービン１の回転数の増加を開始する時に同期機２が出力するトルクＴＭは、微小に負であることが好ましい。
【００４９】
ガスタービン１の回転数を増加するために、コンバータコントローラ１４は、同期機２がガスタービン１に正のトルクＴＭを出力するようにＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２に供給する３相交流を制御する。同期機２が正のトルクＴＭを出力することにより、ガスタービン１の回転数は増加する。このガスタービン１の回転数の増加は、時間的に一定の増加率で行われることが望ましい。
【００５０】
その後、ガスタービン１の回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達すると、コンバータコントローラ１４は、ガスタービン１の回転数が切り離し回転数で一定になるようにＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御する。ガスタービン１の回転数が切り離し回転数で一定に保たれる間、ガスタービン１が出力するトルクは増加する。この間、同期機２が出力するトルクＴＭは、ガスタービン１が発生するトルクの増加に応じて減少する。
【００５１】
その後、コンバータコントローラ１４は、同期機２が出力するトルクＴＭを監視し、同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０になった時（時刻ｔ１２）に、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を同期機２から電気的に切り離す。同期機２が出力するトルクＴＭの算出は、既述のように、回生電力ＰＡＣ、回生抵抗９が消費する電力ＰＲ、同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγのいずれかに基づいて行われる。同期機２が出力するトルクＴＭが、実質的に０になった時にＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されることにより、ガスタービン１の負荷の変動が抑えられ、ガスタービン１のガスタービン軸の回転の急変が防がれる。
【００５２】
このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されるときに同期機２が出力しているトルクは、実質的に０であり、且つ、負の値であることが好ましい。これにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離される前後のガスタービン１の負荷の変動がより抑えられる。
【００５３】
その後、ガスタービン１の回転数は、ガスタービン１自身の駆動力により上昇する。以後、実施の第１形態と同様に、ガスタービン１の回転数は、所定の発電回転数まで上昇され、ガスタービン１の回転数が発電回転数である状態で発電が行われる。
【００５４】
実施の第２形態では、ガスタービン１の回転数が着火回転数である状態で着火が行われ、ガスタービン１の回転数が、着火回転数よりも高い切り離し回転数である状態で、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離される。ガスタービン１を安定的に自立運転するためには、なるべく高い回転数でＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されることが望ましい。しかし、ガスタービン１の着火に最適な回転数は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されるのに最適な切り離し回転数とは異なる。ガスタービン１の回転数が着火回転数である状態で着火が行われ、ガスタービン１の回転数が着火回転数よりも高い切り離し回転数である状態で、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離され、これにより、ガスタービン１の安定的な着火と安定的な自立運転の両方が実現される。
【００５５】
このとき、同期機２の出力するトルクＴＭが実質的に０である時にガスタービン１の回転数が着火回転数から増加され始めることにより、回転数の増加開始時のガスタービン１の回転数の急変が防がれている。更に、同期機２の出力するトルクＴＭが実質的に０である時にＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離されることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ４の切り離し時におけるガスタービン１の回転数の急変が防がれている。
【００５６】
（実施の第３形態）
本発明によるガスタービンプラントの実施の第３形態は、実施の第１形態と同一の構成を有するが、実施の第１形態及び第２形態と異なる手順でガスタービン１が起動される。
【００５７】
図４は、実施の第３形態でのガスタービンプラントの起動方法を示す。初期状態において、ガスタービン１が停止状態にあり、ガスタービン１の回転数が０であるとする。
【００５８】
まず、実施の第１形態と同様にして、ガスタービン１の着火が行われる。より詳細には、電力変換器３のコンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して、同期機２への三相交流の供給を開始する。このとき、ＤＣ−ＡＣコンバータ７は、系統線１３−１〜１３−３から供給された電力を、直流電源線６−１及び６−２を通じてＡＣ−ＤＣコンバータ４に供給する。三相交流の供給を受けた同期機２は、トルクを出力してガスタービン１のガスタービン軸を加速する。ある時間が経過すると、ガスタービン１の回転数が、着火回転数に到達する。着火回転数は、典型的には、２０，０００ｒｐｍである。ガスタービン１の回転数が、着火回転数に到達した後、ある一定の時間、ガスタービン１の回転数は着火回転数に維持される。この間、同期機２は、ある一定のトルクを出力し続ける。その後、ガスタービン１の燃焼器が着火される。
【００５９】
ガスタービン１が着火されると、ガスタービン１は、トルクの発生を開始する。ガスタービン１が発生するトルクは徐々に増加する。このとき、コンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して同期機２への三相交流の供給を調整し、ガスタービン１の回転数を一定に保つ。同期機２が出力するトルクＴＭは、ガスタービン１が発生するトルクの増加に応じて減少する。
【００６０】
実施の第３形態では、ガスタービン１の着火以降の起動手順が、実施の第１形態及び第２形態と異なる。
【００６１】
コンバータコントローラ１４は、同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０になった時（時刻ｔ２１）、ガスタービン１の回転数の増加を開始する。実施の第２形態と同様に、コンバータコントローラ１４は、同期機２が出力するトルクＴＭを算出するために、
（１）同期機２からＡＣ−ＤＣコンバータ４に出力される回生電力ＰＡＣ
（２）電力変換器３に含まれる回生抵抗９が消費する電力ＰＲ
（３）同期機２の電機子を流れる電機子電流の横軸成分ｉγ
のうちのいずれかを監視する。コンバータコントローラ１４は、実施の第１形態と同様に、回生電力ＰＡＣ、回生抵抗９が消費する電力ＰＲ、同期機２の電機子電流の横軸成分ｉγのいずれかに基づいて、同期機２が出力するトルクＴＭを算出する。算出したトルクＴＭが実質的に０になった時に、コンバータコントローラ１４は、ガスタービン１の回転数の増加を開始する。
【００６２】
ガスタービン１の回転数が増加される間、コンバータコントローラ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を制御して同期機２への三相交流の供給を調整し、同期機２が出力するトルクＴＭを実質的に０に保つ。同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０に保たれることにより、ガスタービン１及び同期機２が無用な出力を出すことが防がれ、ガスタービンプラントの効率が向上する。その後、ガスタービン１の回転数が増加して所定の切り離し回転数に到達した時（時刻ｔ２２）、コンバータコントロータ１４は、ＡＣ−ＤＣコンバータ４を同期機２から切り離し、ガスタービン１の自立運転を開始する。
【００６３】
その後、ガスタービン１の回転数は、ガスタービン１自身の駆動力により上昇する。以後、実施の第１形態と同様に、ガスタービン１の回転数は、所定の発電回転数まで上昇され、ガスタービン１の回転数が発電回転数である状態で発電が行われる。
【００６４】
実施の第３形態では、実施の第２形態と同様に、ガスタービン１の回転数が着火回転数よりも高い切り離し回転数である状態で、ＡＣ−ＤＣコンバータ４が同期機２から電気的に切り離され、これにより、ガスタービン１の安定的な着火と安定的な自立運転の両方が実現される。
【００６５】
更に、同期機２が出力するトルクＴＭが実質的に０である状態で、ガスタービン１の回転数の増加と、ＡＣ−ＤＣコンバータ４の同期機２からの切り離しとが行われることにより、ガスタービン１の回転数の急変が防がれている。
【００６６】
加えて、同期機２が出力するトルクＴＭを実質的に０に保ちながら、ガスタービン１の回転数の切り離し回転数への増加が行われることにより、ガスタービン１及び同期機２が無用な出力を出すことが防がれ、ガスタービンプラントの効率の向上が図られている。
【００６７】
【発明の効果】
本発明により、ガスタービンの回転数の急変が防止され、安定的にガスタービンが起動可能なガスタービンプラント及びその起動方法が提供される。
【００６８】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるガスタービンプラントの実施の一形態を示す。
【図２】図２は、実施の第１形態のガスタービンプラントの起動手順を示す。
【図３】図３は、実施の第２形態のガスタービンプラントの起動手順を示す。
【図４】図４は、実施の第３形態のガスタービンプラントの起動手順を示す。
【符号の説明】
１：ガスタービン
２：同期機
３：電力変換器
４：ＡＣ−ＤＣコンバータ
５−１〜５−３：３相電源線
６−１、６−２：直流電源線
７：ＤＣ−ＡＣコンバータ
８：キャパシタ
９：回生抵抗
１１：スイッチング素子
１２：系統コントローラ
１３−１〜１３−３：系統線
１４：コンバータコントローラ
【図１】
0003924141.tif 000003
【図２】
0003924141.tif 000004
【図３】
0003924141.tif 000005
【図４】
0003924141.tif 000006