JP2018017196A - ガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電の効率および負荷追従性能をともに向上させる【解決手段】ガスタービン発電装置の制御装置４は、ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部４０３と、電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの発電機および電動機それぞれの出力電力と、ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、運転モード設定部４０３で設定された運転モードに適合するとともに、発電指令値に追従する発電機の出力電力および電動機の出力電力を計算する配分電力計算部４０４と、前記計算した発電機の出力電力および電動機の出力電力を、発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部４０５と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置に関する。

発電出力の予測が不確実で、出力変動の大きい風力発電、太陽光発電など再生可能エネルギー発電の普及に伴い、電力系統全体の不安定化が懸念されている。この問題を解決するには、再生可能エネルギー発電の出力に応じて、従来の火力発電機の出力を変化させ、合計した発電出力を平準化することが必要になる。火力発電の中でも、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。

特許文献１には、負荷変動への追従性の高い発電システムとして、２軸式ガスタービン発電システムの例が開示されている。２軸式ガスタービン発電システムは、燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、燃焼器に圧縮空気を送る圧縮機と、高圧タービンおよび圧縮機が取り付けられた第１の回転軸と、その第１の回転軸に取り付けられた電動機と、高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、低圧タービンによって駆動される発電機と、低圧タービンおよび発電機が取り付けられた第２の回転軸と、を備えて構成される。

このような２軸式ガスタービン発電システムでは、負荷変動に合わせるための出力指令を受け取ると、ガスタービン本体の発電機は、その指令値に応じた電力を発電しようとする。しかしながら、出力指令値の変化が速い場合には、発電機が発電する電力が出力指令値に追従できるとは限らない。そこで、２軸式ガスタービン発電システムの制御装置は、前記出力指令を受け取ると、燃焼ガスを燃焼して高圧タービンを駆動してから低圧タービン駆動するまでの遅れ時間を考慮したとき、その出力指令に追従できない発電機の出力量を計算する。そして、この出力量を、第１の回転軸に取り付けられた電動機に対する出力として指令する。こうして、発電機の出力と電動機の出力とを合計した出力により、負荷変動への追従が可能となる。

特許文献２には、発電システムではないが、リアルタイム推定モデルを用いて燃料・空気の比率を一定に制御するガスタービン制御システムの例が提案されている。

国際公開ＷＯ２０１５／０７９５０８号公報 米国特許出願公開２０１４／００９０３９２号明細書

電力系統の電力を平準化するためには、発電機出力を高速に変化させる必要がある。特許文献１に示されている二軸式ガスタービン発電システムでは、ガスタービン本体の発電機が追従できない出力量は電動機の出力によって補償される。その結果、二軸式ガスタービン発電システムの出力は、電力系統における負荷への高速追従が可能となっている。

ところで、電動機の動作により圧縮機における空気の流量が変化し、燃焼器内での燃料と空気の比率が適正範囲を超えると、燃焼温度が高くなり、ガスタービン本体からの出力が制限される可能性がある。

一方で、電力系統を運用する発電業者は、再生可能エネルギー発電の増加に伴い、自らの火力発電機の効率低下による利益の低下を懸念する。そのため、再生可能エネルギー発電の変動に高速に追従することができるとともに、発電機の効率を考慮した発電システムおよびその制御技術の開発が近々の課題となっている。

本発明は、以上のような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電の高速負荷追従性能を確保した上で、発電効率を向上させることが可能なガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置を提供することにある。

本発明は、空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるとともに第１の回転軸を介して前記圧縮機を駆動する高圧ガスタービンと、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸を介して前記低圧ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、前記第１の回転軸を介して前記圧縮機の回転をアシストするとともに、前記発電機とは別に発電する電動機と、前記電動機および前記発電機に電気的に接続され、前記電動機と前記発電機との間での電力の授受および周波数変換を行う周波数変換器と、を備えてなるガスタービン発電装置に適用されるガスタービン発電装置の制御装置であって、
入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部と、電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第１の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第２の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算部と、前記計算された配分電力の組に含まれる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、発電の高速負荷追従性能を確保した上で、発電効率を向上させることが可能なガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置が提供される。

本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置の構成の例を模式的に示した図。 本発明の実施形態に係る電動機ドライブシステムの構成の例を模式的に示した図。 本発明の実施形態に係る二軸式ガスタービンの構成の例を模式的に示した図。 本発明の実施形態に係る制御装置の機能構成の例を示した図。 運転モード設定部により表示装置に表示される運転モード設定画面の例を示した図。 配分電力計算部によって実行される発電効率優先モードでの配分電力計算処理の処理フローの例を示した図。 配分電力計算部によって実行される負荷追従優先モードでの配分電力計算処理の処理フローの例を示した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置１の構成の例を模式的に示した図である。図１に示すように、ガスタービン発電装置１は、電動機ドライブシステム２と、二軸式ガスタービン３と、電動機ドライブシステム２および二軸式ガスタービン３を制御する制御装置４と、二軸式ガスタービン３によって駆動される発電機５と、を含んで構成される。

ここで、発電機５によって発電される電力は、外部の電力系統６に供給されるとともに、電動機ドライブシステム２に供給される。また、電動機ドライブシステム２は、発電機５からの電力の供給を受ける一方、適宜、制御装置４からの指令に従って、電動機２０２で発電した電力を電力系統６へ供給する。以下、電動機ドライブシステム２、二軸式ガスタービン３および制御装置４について、図１に加え図２〜図５を参照しながら詳しく説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る電動機ドライブシステム２の構成の例を模式的に示した図である。図１および図２に示すように、電動機ドライブシステム２は、周波数変換器２０１と、電動機２０２と、電動機出力制御装置２０３と、を含んで構成される。

周波数変換器２０１は、回転軸３１１に取り付けられた電動機２０２の出力方向を制御するとともに、電力の周波数や電圧を変換する機能を有する。図２に示すように、周波数変換器２０１は、一対の交流直流変換回路２０１０，２０１１と、これら２つの交流直流変換回路２０１０，２０１１の間に挟まれ、直流コンデンサ２０１３などで構成される直流回路部２０１２と、を含んで構成される。なお、交流直流変換回路２０１０，２０１１は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やダイオードなどによって構成されている。

電動機出力制御装置２０３は、制御装置４から出力される電動機出力指令を受け取ると、周波数変換器２０１からそのときの電動機２０２の駆動周波数を取得し、所定の演算に従って電動機２０２の新たな駆動周波数を計算する。周波数変換器２０１は、この新たな駆動周波数を用いて電動機２０２を駆動する。そして、その駆動により、電動機２０２の回転速度が遅くなった場合には、電動機２０２は、電力を発電する発電機として機能し、また、電動機２０２の回転速度が速くなった場合には、電動機２０２は、電力を消費する電動機として機能する。

電動機ドライブシステム２は、以上のように電動機２０２の出力（ただし、発電機として機能するとき、正の数で表し、電動機として機能するとき、負の数で表す）を変化させることができる。従って、発電機５から電力系統６へ供給される電力は、電動機２０２の出力によって増加させることも、また、減少させることもできる。この電動機２０２の出力変化は、二軸式ガスタービン３で駆動される発電機５の出力変化に比べると大幅な高速化が可能である。そのため、電力系統６の負荷が急激に変化しても、電力系統６へは安定した電力を供給することが可能になる。

図３は、本発明の実施形態に係る二軸式ガスタービン３の構成の例を模式的に示した図である。図１および図３に示すように、二軸式ガスタービン３は、空気を圧縮する圧縮機３０１と、燃料を圧縮した空気と混合して燃焼する燃焼器３０２と、高圧タービン３０３と、低圧タービン３０４と、ガスタービン制御装置３０５と、を備えて構成される。このとき、高圧タービン３０３は、燃焼器３０２で燃料を燃焼して得られた燃焼ガスから動力を得、低圧タービン３０４は、高圧タービン３０３から排出された燃焼ガスから動力を得る。

高圧タービン３０３および圧縮機３０１は、いずれも回転軸３１１に取り付けられており、回転軸３１１の回転とともに回転する。さらに、回転軸３１１には、電動機２０２が取り付けられており、電動機２０２は、電動機出力制御装置２０３からの指令に基づき、回転軸３１１の回転駆動をアシストするとともに、回転軸３１１の回転エネルギーの一部を電力に変換する。また、低圧タービン３０４および発電機５は、回転軸３１１とは別の回転軸３１２に取り付けられており、回転軸３１２を中心に回転する。

ガスタービン制御装置３０５は、制御装置４から出力されるガスタービン出力指令に基づき、圧縮機３０１に供給する空気の量および燃焼器３０２に供給する燃料の量を制御し、発電機５の出力をガスタービン出力指令に追従させる。なお、二軸式ガスタービン３の出力、すなわち、発電機５の出力は、ガスタービン制御装置３０５が燃焼器３０２に投入する燃料の量を変更してから、その燃焼ガスで高圧タービン３０３を駆動し、さらに低圧タービン３０４を駆動するまでの時間遅れを生じる。制御装置４から出力されるガスタービン出力指令は、この時間遅れを考慮して計算される。

また、二軸式ガスタービン３の制御では、通常、次の３箇所で流量、圧力、温度のバランスが取られる。すなわち、（ａ）圧縮機３０１の入口Ａからその出口Ｂ（または、燃焼器３０２の入口）までの空気流量、圧力、温度、（ｂ）高圧タービン３０３の入口Ｃ（または、燃焼器３０２の出口）からその出口（または、低圧タービン入口Ｄ）までの燃焼ガス流量、圧力、温度、および（ｃ）低圧タービン３０４の出口Ｅの排気ガスの流量、圧力、温度。

また、二軸式ガスタービン３の制御では、タービン内の温度制限や排気ガスの環境規制値が制御上の大きな制約となる。ガスタービン制御装置３０５は、これらの制約に適合するよう、主として圧縮機３０１の入口における空気流量および燃料の量を制御し、二軸式ガスタービン３の運転条件を適正範囲に収めることができる。

図４は、本発明の実施形態に係る制御装置４の機能構成の例を示した図である。制御装置４は、電動機ドライブシステム２および二軸式ガスタービン３の運転状況と種々の設定情報とに基づき、電動機ドライブシステム２および二軸式ガスタービン３のそれぞれが出力すべき電力を計算し、その計算結果を電動機出力指令およびガスタービン出力指令として出力する。

図４に示すように、制御装置４は、計測データ取得部４０１、運転状態表示部４０２、運転モード設定部４０３、配分電力計算部４０４、制御指令出力部４０５、情報記憶部４１１などの機能ブロックを含んで構成される。また、制御装置４には、液晶表示装置などの表示装置４２１とキーボードやマウスなどの入力装置４２２が付属する。

ここで、計測データ取得部４０１は、図示しない計測器などで計測される電動機２０２の電動機出力値、発電機５の出力値（すなわち、ガスタービン出力値）、上位システムから与えられる発電指令値などのデータを取得し、その取得したデータを情報記憶部４１１に蓄積する。運転状態表示部４０２は、情報記憶部４１１に蓄積された電動機２０２の出力値、ガスタービン出力値、発電指令値やこれらに関連するデータの時間推移状況グラフなどを表示装置４２１に表示し、ガスタービン発電装置１の運転状況として運転管理者に知らせる。運転モード設定部４０３は、ガスタービン発電装置１における運転モードを設定する。本実施形態では、運転モードとして、後記するように、効率優先モードと負荷追従優先モードを有する。

配分電力計算部４０４は、ガスタービン発電装置１が出力する電力を前記発電指令値に追従させるべく、電動機ドライブシステム２への出力指令（電動機出力指令）および二軸式ガスタービン３への出力指令（ガスタービン出力指令）を計算する。つまり、配分電力計算部４０４は、指示された発電指令値を、発電機５の出力電力と電動機２０２の出力電力とでどのような配分で分担して実現するかを計算する。本実施形態では、これらの出力指令を計算するために、二軸式ガスタービン３の動特性を記述したモデルを用いる。なお、このモデルは、数式で表されていてもよく、コンピュータのシミュレーション言語などで記述されていてもよい。

制御指令出力部４０５は、配分電力計算部４０４で計算された電動機出力指令およびガスタービン出力指令を、それぞれ電動機出力制御装置２０３（図２参照）およびガスタービン制御装置３０５（図３参照）に出力する。

以上のような機能構成を有する制御装置４は、図示しない演算処理装置と記憶装置（半導体メモリ、ハードディスク装置など）とを備えた一般的なコンピュータによって実現することができる。その場合、計測データ取得部４０１、運転状態表示部４０２、運転モード設定部４０３、配分電力計算部４０４、制御指令出力部４０５などの機能ブロックは、前記演算処理装置が前記記憶装置に予め格納された所定のプログラムを実行することによって具現化される。また、情報記憶部４１１は、記憶装置の一部の記憶領域によって具現化される。

図５は、運転モード設定部４０３により表示装置４２１に表示される運転モード設定画面４２１１の例を示した図である。本実施形態では、運転モードとして発電効率優先モードおよび負荷追従優先モードが想定されている。発電効率優先モードでは、配分電力計算部４０４（図４参照）は、電力系統６の負荷の変動への追従性を多少犠牲にしても、発電効率を最大にするような電動機出力指令およびガスタービン出力指令を算出する。また、負荷追従優先モードでは、発電効率を多少犠牲にしても、負荷の変動への追従性（負荷応答性能）を最大にするような電動機出力指令およびガスタービン出力指令を算出する。

図５に示すように、運転モード設定画面４２１１には、運転モードを選択するラジオボタンが表示されるとともに、それぞれの運転モードで使用されるパラメータを設定するためのデータ入力ボックスが表示される。ちなみに、図５の例では、運転モードとして、発電効率優先モードおよび負荷追従優先モードが表示され、ここでは、発電効率優先モードのラジオボタンが選択されている。

また、図５の例では、発電効率優先モードのパラメータとして、例えば、運転管理者が希望する発電効率最小値を設定するデータ入力ボックスが表示されている。同様に、負荷追従優先モードでは、運転管理者が希望する負荷応答性能を設定するデータ入力ボックスが表示されている。ただし、ラジオボタンで選択されていない運転モードについてのデータ入力ボックスの表示は省略されてもよい。

なお、本実施形態では、発電効率（効率）とは、定格時の発電出力に対するそれぞれの条件で動作しているときの発電出力を％表示したものをいう。また、負荷応答性能は、例えば、単位時間に変化し得る電力量で表わされる数値（出力時間変化率）であるとする。

図６は、配分電力計算部４０４によって実行される発電効率優先モードでの配分電力計算処理の処理フローの例を示した図である。配分電力計算部４０４は、電力系統６の負荷の変動を監視している監視センタなどの上位システムから指令される発電指令値に追従するための電力を、発電機５と電動機２０２とでどのように分担して発電すべきかをリアルタイムで計算する。具体的には、配分電力計算部４０４は、指令された発電指令値に応じて、発電機５すなわち二軸式ガスタービン３への出力指令値（ガスタービン出力指令）、および、電動機２０２すなわち電動機ドライブシステム２への出力指令値（電動機出力指令）を計算する。なお、この計算には、情報記憶部４１１に事前に格納されている二軸式ガスタービン３の動特性モデルが用いられる。

図６に示すように、配分電力計算部４０４は、まず、二軸式ガスタービン３の定格出力などスペックに関するパラメータや、周囲温度などの環境パラメータに、適宜、値を設定してモデルを初期化する（ステップＳ１０）。次に、配分電力計算部４０４は、ガスタービン発電装置１への発電指令値の入力を受け付け、さらに、そのときのガスタービン出力値および電動機出力値を取得し、ガスタービン発電装置１として必要な出力変化分を計算する（ステップＳ１１）。なお、ガスタービン出力値および電動機出力値は、いずれも所定の計測装置によって計測される計測値である。

次に、配分電力計算部４０４は、ステップＳ１１で計算されたガスタービン発電装置１として必要な出力変化分に対して、電動機２０２のアシストで調整可能な範囲で、適宜、電動機２０２の出力値の変化分および発電機５の出力値の変化分を定める。すなわち、配分電力計算部４０４は、発電機５が出力すべき電力（以下、第１の配分電力という）と電動機２０２が出力すべき電力（以下、第２の配分電力という）とからなる配分電力の組を複数組作成する（ステップＳ１２）。ここで、電動機２０２のアシストで調整可能な範囲とは、電動機２０２の出力限界をいう。

次に、配分電力計算部４０４は、ステップＳ１２で作成した配分電力の組それぞれについて、電動機２０２のアシストによるガスタービン発電装置１の内部状態の変化量を計算する（ステップＳ１３）。

電動機２０２のアシストにより回転軸３１１の回転速度が変化すると、高圧タービン３０３や低圧タービン３０４などにおける流量や圧力が変化し、ガスタービン発電装置１の内部状態が変化する。こうして変化した後の内部状態は、ステップＳ１２でいう電動機２０２のアシストで調整可能な範囲内でなければならない。内部状態として、例えば、高圧タービン３０３や低圧タービン３０４の温度や、廃棄ガスの有害物質の排出量がある。これらは、ガスタービンが安全に、かつ、環境規制を満たしながら運転するための制約条件である。

そこで、配分電力計算部４０４は、電動機２０２のアシストにより変化した変化後のガスタービン発電装置１の内部状態が所定の制約条件を満足しているか否かを判定する（ステップＳ１４）。上述したように、所定の制約条件とは、ステップＳ１２でいう電動機２０２のアシストで調整可能な範囲、高圧タービン３０３や低圧タービン３０４の温度制限値、排気ガスの環境規制値などをいう。

ステップＳ１４の判定で、変化後のガスタービン発電装置１の内部状態が所定の制約条件を満足していない場合には（ステップＳ１４でＮｏ）、配分電力計算部４０４は、ステップＳ１２へ戻って、配分電力の組を再度作成する。なお、配分電力の組を再度作成するのは、前記制約条件を満足していない場合の配分電力の組だけでよい。

一方、変化後のガスタービン発電装置１の内部状態が所定の制約条件を満足している場合には（ステップＳ１４でＹｅｓ）、配分電力計算部４０４は、前記作成された配分電力の組それぞれについての発電効率を算出し、その中から、発電効率が最大となる配分電力の組を選択する（ステップＳ１５）。なお、発電効率としては、例えば、ガスタービン発電装置１の定格出力に対する発電機５が発電すべき電力（第１の配分電力）の比の値を用いることができる。あるいは、ガスタービン発電装置１の定格出力から第１の配分電力を差し引いた値であってもよい。

次に、配分電力計算部４０４は、前記選択された配電電力の組に含まれる第１の配分電力および第２の配分電力を、ガスタービン出力指令および電動機出力指令として、制御指令出力部４０５を介してガスタービン制御装置３０５および電動機出力制御装置２０３へそれぞれ出力する（ステップＳ１６）。

次に、配分電力計算部４０４は、運転モードが変更されたか否か、または、ガスタービン発電装置１の運転が停止されたか否かを判定する（ステップＳ１７）。その判定の結果、運転モードが変更されず、また、ガスタービン発電装置１の運転が停止されていない場合には（ステップＳ１７でＮｏ）、配分電力計算部４０４は、ステップＳ１１に戻って、ステップＳ１１以下の処理を繰り返し実行する。一方、運転モードが変更されたか、または、ガスタービン発電装置１の運転が停止された場合には（ステップＳ１７でＹｅｓ）、配分電力計算部４０４は、図６の出力配分計算処理を終了する。

図７は、配分電力計算部４０４によって実行される負荷追従優先モードでの出力配分計算処理の処理フローの例を示した図である。図７に示した出力配分計算処理の処理フローでは、発電効率よりも負荷追従の応答性能が優先される。

図７に示すように、配分電力計算部４０４は、まず、二軸式ガスタービン３の定格出力などスペックに関するパラメータや、周囲温度などの環境パラメータに、適宜、値を設定してモデルを初期化する（ステップＳ２０）。次に、配分電力計算部４０４は、ガスタービン発電装置１への発電指令値の入力を受け付け、さらに、そのときのガスタービン出力値および電動機出力値を取得し、ガスタービン発電装置１として必要な出力変化分を計算する（ステップＳ２１）。なお、ガスタービン出力値および電動機出力値は、いずれも所定の計測装置によって計測される計測値である。

次に、配分電力計算部４０４は、ステップＳ１１で計算されたガスタービン発電装置１として必要な出力変化分に対して、電動機２０２のアシストで調整可能な範囲で、適宜、電動機２０２の出力値の変化分および発電機５の出力値の変化分を定める。すなわち、配分電力計算部４０４は、発電機５が出力すべき電力（第１の配分電力）と電動機２０２が出力すべき電力（第２の配分電力）とからなる配分電力の組を複数組作成する（ステップＳ２２）。

次に、配分電力計算部４０４は、ステップＳ２２で作成した配分電力の組それぞれについて、電動機２０２のアシストによるガスタービン発電装置１の内部状態の変化量を計算する（ステップＳ２３）。

次に、配分電力計算部４０４は、電動機２０２のアシストにより変化した変化後のガスタービン発電装置１の内部状態が所定の制約条件を満足しているか否かを判定する（ステップＳ２４）。ここで、所定の制約条件とは、ステップＳ２２でいう電動機２０２のアシストで調整可能な範囲、高圧タービン３０３や低圧タービン３０４の温度制限値、排気ガス温度の環境規制値などをいう。

ステップＳ２４の判定で、変化後のガスタービン発電装置１の内部状態が所定の制約条件を満足していない場合には（ステップＳ２４でＮｏ）、配分電力計算部４０４は、ステップＳ２２へ戻って、配分電力の組を再度作成する。なお、配分電力の組を再度作成するのは、前記制約条件を満足していない場合の配分電力の組だけでよい。

一方、変化後のガスタービン発電装置１の内部状態が所定の制約条件を満足している場合には（ステップＳ２４でＹｅｓ）、配分電力計算部４０４は、前記作成された配分電力の組それぞれについての負荷追従性能値を算出し、その中から、負荷追従性能値が最大となる配分電力の組を選択する（ステップＳ２５）。なお、負荷追従性能値としては、例えば、発電機５が発電すべき電力（第１の配分電力）と発電機５が発電すべき電力（第２の配分電力）との合計値と発電指令値との差分量の逆数などを用いることができる。

次に、配分電力計算部４０４は、前記選択された配電電力の組に含まれる第１の配分電力および第２の配分電力を、ガスタービン出力指令および電動機出力指令として、制御指令出力部４０５を介してガスタービン制御装置３０５および電動機出力制御装置２０３へそれぞれ出力する（ステップＳ２６）。

次に、配分電力計算部４０４は、運転モードが変更されたか否か、または、ガスタービン発電装置１の運転が停止されたか否かを判定する（ステップＳ２７）。その判定の結果、運転モードが変更されず、また、ガスタービン発電装置１の運転が停止されていない場合には（ステップＳ２７でＮｏ）、配分電力計算部４０４は、ステップＳ１１に戻って、ステップＳ２１以下の処理を繰り返し実行する。一方、運転モードが変更されたか、または、ガスタービン発電装置１の運転が停止された場合には（ステップＳ２７でＹｅｓ）、配分電力計算部４０４は、図７の出力配分計算処理を終了する。

なお、図７に示した負荷追従優先モードでの出力配分計算処理の処理フローは、図６に示した効率優先モードでの出力配分計算処理の処理フローとほとんど同じであり、実質的には、ステップＳ２５だけが図６のステップＳ１５と相違しているだけである。

以上、本発明の実施形態によれば、ガスタービン発電装置１の制御装置４は、上位システムなどから電力系統６の負荷に応じた発電指令値を受けたときには、予め準備した二軸式ガスタービン３の動特性モデルを用いて、その発電指令値に追従したガスタービン出力指令および電動機出力指令をリアルタイムで計算し、その計算結果を、ガスタービン制御装置３０５および電動機出力制御装置２０３へ出力する。また、運転モード設定部４０３で発電効率優先モードが設定された場合には、前記ガスタービン出力指令および電動機出力指令の計算では、電力系統６の負荷への高速追従性能よりも発電効率を優先する。よって、本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置１では、発電の負荷追従性能を確保した上で、発電効率を向上させることができる。

本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

１ ガスタービン発電装置
２ 電動機ドライブシステム
３ 二軸式ガスタービン
４ 制御装置
５ 発電機
６ 電力系統
２０１ 周波数変換器
２０２ 電動機
２０３ 電動機出力制御装置
３０１ 圧縮機
３０２ 燃焼器
３０３ 高圧タービン（高圧ガスタービン）
３０４ 低圧タービン（低圧ガスタービン）
３０５ ガスタービン制御装置
３１１ 回転軸（第１の回転軸）
３１２ 回転軸（第２の回転軸）
４０１ 計測データ取得部
４０２ 運転状態表示部
４０３ 運転モード設定部
４０４ 配分電力計算部
４０５ 制御指令出力部
４１１ 記憶部
４２１ 表示装置
４２２ 入力装置
２０１０，２０１１ 交流直流変換回路
２０１２ 直流回路部
２０１３ 直流コンデンサ
４２１１ 運転モード設定画面

Claims (8)

1. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるとともに第１の回転軸を介して前記圧縮機を駆動する高圧ガスタービンと、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸を介して前記低圧ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、前記第１の回転軸を介して前記圧縮機の回転をアシストするとともに、前記発電機とは別に発電する電動機と、前記電動機および前記発電機に電気的に接続され、前記電動機と前記発電機との間での電力の授受および周波数変換を行う周波数変換器と、を備えてなるガスタービン発電装置に適用されるガスタービン発電装置の制御装置であって、
   入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部と、
   電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第１の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第２の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算部と、
   前記計算された配分電力の組に含まれる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部と、
   を有すること
   を特徴とするガスタービン発電装置の制御装置。
2. 前記配分電力計算部は、
   前記第１の配分電力と前記第２の配分電力とからなる配分電力の組を複数組作成し、
   前記配分電力の組それぞれについて前記第２の配分電力による前記電動機の動作が前記ガスタービン発電装置の少なくとも１つの状態に及ぼす変化量を、前記モデルを用いて推定し、
   前記推定した変化量が前記ガスタービン発電装置のハードウエアによって定まる制約条件を満たしているか否かを判定し、
   前記制約条件を満たしていると判定された前記配分電力の組の中から、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合する前記配分電力の組を１つ選択し、
   前記選択した配分電力の組に含まれる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力をもって、前記配分電力計算部での計算で得られる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力とすること
   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装置。
3. 前記配分電力計算部は、
   前記制約条件を満たしていないと判定された前記配分電力の組については、その配分電力の組に含まれる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力を作成し直すこと
   を特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電装置の制御装置。
4. 前記運転モード設定部は、
   発電効率を優先する発電効率優先モードおよび負荷追従を優先する負荷追従優先モードの少なくとも一方を含んだ複数の運転モードの中から１つを選択する運転モード設定画面を表示装置に表示すること
   を特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電装置の制御装置。
5. 前記配分電力計算部は、
   前記運転モード設定部で前記発電効率優先モードが設定された場合には、前記制約条件を満たしていると判定された前記配分電力の組の中から、前記発電機の発電定格値に最も近い前記第１の配分電力を有する前記配分電力の組を選択すること
   を特徴とする請求項４に記載のガスタービン発電装置の制御装置。
6. 前記配分電力計算部は、
   前記運転モード設定部で前記負荷追従優先モードが設定された場合には、前記制約条件を満たしていると判定された前記配分電力の組の中から、前記第１の配分電力と前記第２の配分電力との合計が前記発電指令値に最も近い値となる前記第１の配分電力と前記第２の配分電力とを有する前記配分電力の組を選択すること
   を特徴とする請求項４に記載のガスタービン発電装置の制御装置。
7. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるとともに第１の回転軸を介して前記圧縮機を駆動する高圧ガスタービンと、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸を介して前記低圧ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、前記第１の回転軸を介して前記圧縮機の回転をアシストするとともに、前記発電機とは別に発電する電動機と、前記電動機および前記発電機に電気的に接続され、前記電動機と前記発電機との間での電力の授受および周波数変換を行う周波数変換器と、前記発電機および前記電動機を制御する制御装置と、を備えてなるガスタービン発電装置に適用されるガスタービン発電装置の制御方法であって、
   前記制御装置は、
   入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定ステップと、
   電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定ステップで設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第１の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第２の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算ステップと、
   前記計算された配分電力の組に含まれる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力ステップと、
   を実行すること
   を特徴とするガスタービン発電装置の制御方法。
8. 空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるとともに第１の回転軸を介して前記圧縮機を駆動する高圧ガスタービンと、
   前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、
   第２の回転軸に取り付けられ、前記第２の回転軸を介して前記低圧ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、
   前記第１の回転軸を介して前記圧縮機の回転をアシストするとともに、前記発電機とは別に発電する電動機と、
   前記電動機および前記発電機に電気的に接続され、前記電動機と前記発電機との間での電力の授受および周波数変換を行う周波数変換器と、
   前記発電機および前記電動機を制御する制御装置と、
   を備えたガスタービン発電装置であって、
   前記制御装置は、
   入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部と、
   電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第１の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第２の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算部と、
   前記計算された配分電力の組に含まれる前記第１の配分電力および前記第２の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部と、
   を有すること
   を特徴とするガスタービン発電装置。

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