燃气轮机发电系统的控制方法及控制装置与流程

燃气轮机发电系统的控制方法及控制装置
相关申请
1.本技术主张2019年6月25日提出的日本专利申请2019-117709的优先权，并通过参照将其整体引用为本技术的一部分。
技术领域
2.本发明涉及一种对以燃气涡轮发动机为原动机的发电系统(以下称为“燃气轮机发电系统”)进行控制的方法及装置。


背景技术：

3.作为发电设备，广泛使用组合了作为原动机的燃气涡轮发动机、和由该燃气涡轮发动机驱动的同步型发电机的燃气轮机发电系统(例如参照专利文献1、2)。以往，在燃气轮机发电系统中，以使得功率因数恒定的方式控制无效功率输出。现有技术文献专利文献
4.专利文献1：日本特开2014-138462号公报专利文献2：日本特表2017-506302号公报


技术实现要素：

(一)要解决的技术问题
5.但是，通常对于燃气涡轮发动机的有效功率输出而言，例如由于受到进气温度变化的因素影响，有可能发生几十％的程度的变动。在这种情况下，对于与该燃气涡轮发动机组合的发电机的额定输出而言，由于匹配燃气涡轮发动机的最大的有效功率输出，因此在燃气涡轮发动机工作于比最大输出低的输出区域的期间，不能充分地利用发电机的性能(视在功率输出能力)。
6.因此，为了解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种燃气轮机发电系统的控制方法及控制装置，即使在燃气涡轮发动机发生输出变动的情况下，也能够充分地利用发电机的发电能力。(二)技术方案
7.为了实现上述目的，关于本发明的燃气轮机发电系统的控制方法，其对具备燃气涡轮发动机、和由所述燃气涡轮发动机驱动的同步型的发电机的燃气轮机发电系统进行控制，该方法包含：在所述燃气涡轮发动机的有效功率输出的当前值相对于所述发电机的额定视在功率的比率r＝pn/s
100
是规定值rs＜r≦1的范围内，将从所述发电机输出的无效功率，设定为通过下述的算式(1)得到的值qa，qa＝s
100
×
{1-(pn/s
100
)2}
1/2
ꢀꢀꢀ
(1)其中，pn是从所述燃气涡轮发动机输出的有效功率输出的当前值[kw]，s
100
是所述
发电机的额定视在功率[kva]。
[0008]
另外，关于本发明的燃气轮机发电系统的控制装置，其对具备燃气涡轮发动机、和由所述燃气涡轮发动机驱动的同步型的发电机的燃气轮机发电系统进行控制，所述控制装置具备：有效功率检测部，其检测所述燃气涡轮发动机的有效功率输出；以及有效功率检测部，其在所述燃气涡轮发动机的有效功率输出的当前值相对于所述发电机的额定视在功率的比率r＝pn/s
100
是规定值rs＜r≦1的范围内，将从所述发电机输出的无效功率，设定为通过下述的算式(1)得到的值qa，qa＝s
100
×
{1-(pn/s
100
)2}
1/2
ꢀꢀꢀ
(1)其中，pn是从所述燃气涡轮发动机输出的有效功率输出的当前值[kw]，s
100
是所述发电机的额定视在功率[kva]。(三)有益效果
[0009]
根据该结构，在燃气涡轮发动机的通常的工作区域即有效功率输出接近最大值(额定值)的区域中，以使得视在功率恒定的方式控制发电机的输出。由此，在燃气涡轮发动机的有效功率输出从最大值降低的情况下，能够将该降低的部分作为发电机的无效功率输出，从而能够充分地利用发电机的性能。此外，该控制方法不是以往的使滞后功率因数恒定的控制，因此能够使发电机的功率因数是1的情况下的发电机的最大视在功率输出(额定视在功率输出)，成为与燃气轮机的有效功率输出的最大值相同的值。即，相对于该燃气轮机发电系统的额定输出而言，能够使采用的发电机的额定输出、体积比以往小。
[0010]
在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含于本发明。尤其是权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含于本发明。
附图说明
[0011]
通过参考附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书确定。所附各图中的相同标记表示相同或相当的部分。图1是表示应用本发明一实施方式的控制方法及控制装置的燃气轮机发电系统的概要结构的框图。图2是将本发明一实施方式的控制方法的原理与现有技术进行比较表示的发电机可输出图表。图3是对本发明一实施方式的控制方法的效果进行说明的图表。图4是表示本发明一实施方式的控制装置的概要结构的框图。
具体实施方式
[0012]
以下按照附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示应用本发明的第一实施方式的控制方法及控制装置的燃气轮机发电系统s。该燃气轮机发电系统s是将燃气涡轮发动机作为原动机对发电机进行驱动从而发电的系统。燃气轮机发电系统s具备：燃气涡轮发动机(以下简称为“燃气轮机”)gt、由燃气轮机gt驱动的同步型的发电机(以下简称为“发电机”)1、以及对发电机1进行控制的控制装置3。本实施方式的发电机1例如是三相交流发电
机。
[0013]
燃气轮机gt通过压缩机5对从外部导入的工作气体(在本例中是空气)进行压缩而作为压缩空气导向燃烧器7，并向燃烧器7内喷射燃料，与压缩空气一起燃烧，利用得到的高温高压的燃烧气体来驱动涡轮9。利用涡轮9的旋转来驱动与转子11连结的发电机1。这样通过发电机1生成的电力向负载l供给。燃气轮机发电系统s例如是作为设备的应急电源使用的发电系统。燃气轮机发电系统s不与系统电源连接，该系统s单独向负载l供电。
[0014]
以下对本实施方式的控制装置3的控制方法进行详细说明。
[0015]
如图2所示，控制装置3在燃气轮机gt的有效功率输出的当前值相对于发电机1的额定视在功率的比率r＝pn/s
100
(以下将该比率称为“燃气轮机输出比率”)超过规定值rs(以下将该规定值称为“控制边界值”)的区域、和控制边界值rs以下的区域中以不同的规则进行无效功率控制。具体而言，在燃气轮机输出比率r比控制边界值rs大且是1以下的区域(以下称为“第一区域”)a1中，以使得视在功率恒定的方式控制发电机1，并设定无效功率的值。即，控制装置3在第一区域a1中将从发电机1输出的无效功率设定为通过下述算式(1)得到的值qa，qa＝s
100
×
{1-(pn/s
100
)2}
1/2
ꢀꢀꢀ
(1)其中，pn是从所述燃气涡轮发动机输出的有效功率输出的当前值[kw]，s
100
是所述发电机1的额定视在功率[kva]。
[0016]
在本实施方式中，将控制边界值rs预先设定为0.85。此外，控制边界值rs的设定值没有特别限定，在从其它设备供给无效功率的情况下，考虑到裕度而优选为0.95以下。此外，优选使控制边界值rs的设定值与利用该燃气轮机发电系统s供电的负载l的功率因数一致。从这个观点出发，更优选在作为负载l的功率因数而通常采用的0.8以上且0.9以下的范围内设定控制边界值rs。
[0017]
现有技术通常是如在图2中以单点划线l0表示的那样，在燃气轮机的有效功率输出的整个范围内，对于发电机输出进行基于滞后功率因数的功率因数恒定控制。典型地，在从发电机向系统电源供给电力的情况下，要求将该发电机的额定功率因数作为滞后功率因数。在这种情况下，选择如下这样的发电机，该发电机的额定视在功率(额定输出点s
r0
)为用上述额定功率因数去除燃气轮机的额定输出而得到的值。因此，在燃气轮机的有效功率输出由于某种原因(例如后述那样的进气温度的变化)而降低时，使发电机在可输出曲线(双点划线所示的线l
x
)的内侧工作，因此不能充分地利用发电机的发电能力(额定视在功率)。另外，发电机所要求的额定输出必须是相对于燃气轮机的额定输出具有余量的值，相应地，发电机的体积也必然较大。例如，在进行将额定功率因数设定为上述的控制边界值rs即0.85的功率因数恒定控制的情况下，发电机的额定输出相对于燃气轮机的额定输出而言超过约18％。
[0018]
与此相对，在本实施方式中进行如下的控制，即：在第一区域a1中，以功率因数是1且发电机1的额定视在功率与燃气轮机gt的额定输出一致的方式设定了发电机1的额定输出点s
r1
，并且不是使功率因数恒定，而是使发电机1的视在功率恒定。即，以发电机1的输出点s1在发电机1的可输出曲线l1上变动的方式来设定无效功率qa的值。如本实施方式的燃气轮机发电系统s这样，在不向系统电源供给电力的情况下，不受系统电源的功率因数的制约，因此能够进行这样的控制。通过这样对发电机1进行控制，从而能够充分地利用发电机1
所具有的发电能力(额定视在功率)，并且在燃气轮机gt的有效功率输出降低时，能够将该降低的部分作为无效功率输出。
[0019]
在本实施方式中，如该图2所示，控制装置3在燃气轮机输出比率r为控制边界值rs以下的区域(以下称为“第二区域”)a2中，通过从利用沿着无效功率恒定线l2的无效功率恒定控制得到的值(与输出点s2对应的值)、和利用沿着功率因数恒定线l3的功率因数恒定控制得到的值(与输出点s3对应的值)中进行的低位选择来设定无效功率的值。即，控制装置3在第二区域a2中将从发电机1输出的无效功率设定为通过下述的算式(2)及算式(3)得到的两个值q
b1
、q
b2
中的较小的值，q
b1
＝q
max
ꢀꢀꢀ
(2)其中，q
max
在算式(1)中是所述燃气轮机输出比率r＝rs的情况下的无效功率的值，q
b2
＝(1-cos2θ
p
)
1/2
×
pn/cosθ
p
ꢀꢀꢀ
(3)其中，cosθ
p
是所述发电机1中的功率因数的规定值。
[0020]
在通常设定的工作区域即第一区域a1中，进行上述的视在功率恒定控制，并且在第二区域a2中进行上述这样的控制，从而能够在燃气轮机gt的有效功率输出由于某种原因而大幅降低的情况下，使控制方式从视在功率恒定控制进行切换，以确保必要的功率因数。
[0021]
此外，在本实施方式中，如后面详细说明的那样，作为有效功率输出的当前值(以下称为“有效功率当前值”)，使用了从发电机1的输出中直接检测的值，但是作为有效功率当前值pn，也可以使用基于燃气轮机gt吸入的工作气体(在本例中是空气)的温度检测的值。
[0022]
通常，在一年之中，燃气轮机gt的进气温度会发生变化，因此燃气轮机gt输出的有效功率值发生变动。具体而言，燃气轮机gt的有效功率输出值随着进气温度上升而降低。由于这样的进气温度的变动造成的有效功率值的变动幅度也有达到30％左右的情况。通常，在燃气轮机gt的运转中，预先设定与进气温度的变动对应的有效功率的指令值，并进行基于该指令值的反馈控制。因此，可以将与该进气温度变动对应的有效功率指令值作为上述的有效功率当前值pn使用。通过这样进行控制，从而能够简化无效功率的视在功率恒定控制的过程，并且能够将有效功率值由于进气温度的变动而降低的部分作为无效功率输出。
[0023]
具体而言，例如，通过预先的试验来测量与进气温度对应的燃气轮机输出值，并做成进气温度与燃气轮机输出的相关图或者相关式，从而使用与测量的进气温度对应的有效功率当前值pn。
[0024]
此外，在使燃气轮机gt的有效功率输出降低的原因不在进气温度以外的情况下，由于作为有效功率当前值而从发电机1的输出中直接检测的值、和与进气温度对应的设定指令值基本上一致，因此控制结果也基本上相同。在预先设定为有效功率输出由于进气温度变动以外的其它原因的影响而变动的情况下，可以准备考虑了由该其它原因引起的变动的相关图等。
[0025]
在图3中，作为实施例，示出了利用上述的本实施方式的方法基于进气温度控制发电机1时的来自燃气轮机发电系统s的输出特性。在该图3中，作为比较例，也示出了以往的在整个范围进行功率因数恒定控制时的输出特性。在该图3中，纵轴示出了在将燃气轮机gt的有效功率输出(kw)的最大值(进气温度为0℃时的额定输出)设定为100时，燃气轮机输出(kw)、实施例、比较例的各发电机1的视在功率输出(kva)的比例。另外，该图3的横轴表示进
气温度。此外，燃气轮机输出是来自该燃气轮机发电系统s的输出(有效功率输出)。
[0026]
如上所述，在比较例中，在0℃～40℃的整个范围对发电机1进行功率因数恒定控制。另一方面，在实施例中，在0℃～约20℃的范围(上述的第一区域a1)中，进行发电机1的视在功率恒定控制，在约20℃～40℃的范围(上述的第二区域a2)中，进行基于无效功率恒定控制和功率因数恒定控制的低位选择的控制(在本例中，在第二区域a2整体进行基于低位选择的功率因数恒定控制)。
[0027]
由该图3可知，在比较例中，发电机1的最大视在功率输出(额定视在功率输出)，比燃气轮机gt的有效功率输出的最大值大约11％，而在实施例中，则能够使发电机1的最大视在功率输出(额定视在功率输出)，与燃气轮机gt的有效功率输出的最大值为相同的值。换言之，通过采用本实施方式的控制方法，从燃气轮机发电系统s获得同等的有效功率输出，能够使所采用的发电机1的额定输出降低约11％。另外，由该图3可知，在进气温度为0℃～约20℃的范围内，与比较例相比而言，实施例的燃气轮机gt输出相对于发电机1的视在功率输出的比率较大。因此，通过实施例的方法，能够使燃气轮机发电系统s以更高的效率运转。
[0028]
接着说明用于执行上述控制方法的控制装置3的结构例。
[0029]
如图4所示，控制装置3具备有效功率检测部21、无效功率控制部23。有效功率检测部21检测燃气轮机gt的有效功率输出的当前值。无效功率控制部23基于有效功率检测部21检测的有效功率输出值确定从发电机1输出的无效功率的值。除此之外，在本实施方式中，控制装置3还具备：无效功率检测部25、电压检测部27、电流检测部29、电压设定部31、电压调整部33以及励磁部35。
[0030]
电压检测部27检测发电机1的输出电压。电压检测部27在本例中构成为计量用变压器。电流检测部29检测发电机1的输出电流。电流检测部29在本例中构成为计量用变流器。
[0031]
无效功率检测部25与电压检测部27及电流检测部29连接，并根据从电压检测部27输入的发电机1的输出电压值及从电流检测部29输入的发电机1的输出电流值，来检测无效功率的输出值。有效功率检测部21与电压检测部27及电流检测部29连接，并根据从电压检测部27输入的发电机1的输出电压值及从电流检测部29输入的发电机1的输出电流值，来检测有效功率的输出值。
[0032]
无效功率控制部23具备：控制参数存储部41、运算部43以及无效功率指示部45。
[0033]
控制参数存储部41存储有通过控制装置3执行上述控制方法所需的常数参数，即：发电机1的额定视在功率值s
100
、最大无效功率值q
max
、控制边界值rs、以及在第二区域a2中进行功率因数恒定控制时的功率因数的规定值cosθ
p
等。根据需要，控制参数存储部41将存储的这些参数向运算部43输出。在进行上述的基于进气温度的控制的情况下，可以在控制参数存储部41中存储有进气温度与有效功率输出的相关图。
[0034]
运算部43根据从有效功率检测部21输入的有效功率的当前值、和控制参数存储部41中存储的控制参数，使用上述算式(1)～(3)的任一，来计算无效功率的目标值qa、q
b1
、q
b2
。运算部43还计算出该无效功率目标值qa、q
b1
、q
b2
与从无效功率检测部25输入的无效功率的当前值的偏差。无效功率指示部45将基于通过运算部43算出的无效功率的偏差的控制指令值向电压设定部31发送。
[0035]
电压设定部31基于来自无效功率指示部45的指令，设定发电机1的输出电压。电压
调整部33基于通过电压设定部31设定的发电机1的输出电压，调整发电机1的输出电压。励磁部35按照来自电压调整部33的指令，对发电机1进行励磁。
[0036]
根据以上说明的本实施方式的燃气轮机发电系统s的控制方法及控制装置3，在燃气轮机gt的有效功率输出接近最大值的区域中，以使得视在功率恒定的方式控制发电机1的输出，从而能够在燃气涡轮发动机的有效功率输出从最大值降低时，将该降低的部分作为发电机1的无效功率输出，因此能够充分地利用发电机1的性能。
[0037]
此外，该控制方法不是以往的使滞后功率因数恒定的控制，因此能够使发电机1的功率因数是1的情况下的发电机1的最大视在功率输出(额定视在功率输出)，成为与燃气轮机gt的有效功率输出的最大值相同的值。即，相对于该燃气轮机发电系统s的额定输出而言，能够使采用的发电机1的额定输出、体积比以往小，从而使应用该控制方法及控制装置3的燃气轮机发电系统s高效率化、小型化。
[0038]
另外，如上所述，在本发明一实施方式中，可以基于所述燃气轮机gt吸入的工作气体的温度，来检测所述有效功率输出的当前值pn。对于燃气轮机gt额定运转时的输出而言，存在因吸入的工作气体的温度而变动几十％的情况，通常对于燃气轮机gt的输出，是根据预先设定的与工作气体温度的变动对应的有效功率指令值来进行控制。因此，通过使用该指令值作为有效功率输出的当前值，能够简化无效功率的视在功率恒定控制的过程，并且能够将有效功率值由于工作气体温度的变动而降低的部分作为无效功率输出。
[0039]
在本发明一实施方式中，可以将从所述发电机1输出的无效功率，在所述比率r为0≦r≦rs的范围内，设定为通过下述的算式(2)及算式(3)得到的两个值q
b1
、q
b2
中的较小的值，q
b1
＝q
max
ꢀꢀꢀ
(2)其中，q
max
在算式(1)中是所述比率r＝rs的情况下的无效功率的值，q
b2
＝(1-cos2θ
p
)
1/2
×
pn/cosθ
p
ꢀꢀꢀ
(3)其中，cosθ
p
是所述发电机1中的功率因数的规定值。根据该结构，能够在燃气轮机gt的有效功率输出由于某种原因而大幅降低的情况下，使控制方式从视在功率恒定控制切换为无效功率恒定控制或者功率因数恒定控制，以确保必要的功率因数。
[0040]
在本发明一实施方式中，可以预先在0.8以上且0.95以下的范围内，设定所述比率r的规定值rs。根据该结构，通过使进行视在功率恒定控制的区域的下限与一般性的负载的功率因数匹配，从而能够可靠地确保必要的功率因数。
[0041]
本发明的燃气轮机发电系统s具备：燃气轮机gt、由所述燃气轮机gt驱动的同步型的发电机1、以及控制所述发电机1的所述控制装置3。根据该结构，通过采用具有上述效果的控制方法、控制装置，从而能够实现燃气轮机发电系统s的高效率化、小型化。
[0042]
以上参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种追加、变更或者删除。因此这样的结构也包含在本发明的范围内。附图标记说明
[0043]
1-发电机；3-控制装置；21-有效功率检测部；23-无效功率控制部；gt-燃气涡轮发动机；s-燃气轮机发电系统。