JP6727342B2 - 目標差角のための目標軌跡に従ったタービンとａｃ電力網との同期 - Google Patents

Description

本発明は、タービンを電力網と同期させるための方法、及び関連する制御装置に関する。

発生した電力を電力網に供給するための発電所において発電した場合には、電力の同相供給が確保される必要がある。タービンによって駆動される発電機で電力を発生させる火力発電所では、タービンは、電力が供給可能とされるように、電力網の位相に一致する角位置に位置される。より正確には、発電機ロータの角位置が重要であることは言うまでもない。発電機のロータは、タービンのロータに実質的に固定された状態で接続されているので、この場合には、タービンが、実際には発電機が同期しなければならないことに常に留意すべきである。

従来技術では、発電所電力網の位相から独立させてタービンを電力網周波数で動作させることが一般的であった。従って、タービンは、いわゆる同期装置を用いて正確な角位置に位置される。このために、タービンは僅かに加減速され、大雑把に言えば、タービンは角位置に整合されるまで前後移動することに留意すべきである。

タービンを電力網と同期させるための方法が特許文献１から知られている。当該方法は、電力網周波数の範囲内で所定の周波数に至るまでタービンを加速させるステップ１）と、タービンとＡＣ電力網との差角を検出するステップ２）と、タービンとＡＣ電力網との速度差を検出するステップ３）と、タービンが目標軌跡に追従するようにタービンを加減速させるステップ４）と、を備えており、当該方法では、目標軌跡が、タービンの速度とＡＣ電力網の速度とが一致する場合に同期供給に適した目標角位置がタービンとＡＣ電力網との間で実現されるように、差角に依存して目標速度差を特定する事前に計算された軌跡とされる。

欧州特許出願公開第３０１２４２０号明細書

本発明の目的は、ＡＣ電力網とタービンとの改良された同期のための方法を提供することである。当該目的は、特に独立請求項によって達成される。従属請求項は、実施例を特定する。さらなる詳細については、発明の詳細な説明から得ることができる。

本発明は、電力網周波数を有するＡＣ電力網とタービンを同期させるための方法であって、
ステップＡ）タービンとＡＣ電力網との間における差角を考慮しないで公称回転速度に至るまでタービンを加速させるステップと、
ステップＢ）タービンとＡＣ電力網との間における差角（３）を検出するステップと、
ステップＣ）速度差が目標軌跡に追従するようにタービンを加減速させるステップと、
を備えている方法において、
目標軌跡が、同期供給に適した目標角位置がタービンとＡＣ電力網との間に実現されるように、検出された差角に基づいて目標回転速度を特定する軌跡とされることを特徴とする方法を提案する。この場合には、軌跡と最終目標角との関係は、計測された差角を目標角に変換する機能から得られる。計測された差角が過剰に大きい場合には、タービンを加速させる必要があり、計測された差角が過剰に小さい場合には、タービンを減速させる必要がある。

ステップＡ）は、従来技術における一般的な手順と相違ない。公称速度との用語は、当該公称速度が実際の電力網周波数である必要がないことを明確にするものである。僅かな変動が電力網で繰り返し発生することが知られている。当該変動は、ステップＡ）では考慮されないので、実際の電力網周波数から逸脱した公称速度が選定され得る。このことは、公称速度が実際の電力網周波数に一致することを排除する訳ではない。このことは、電力網の状態に起因する。さらに、連続的な計測によって公称速度を実際の電力網周波数に一致させることができることに留意すべきである。

上述の周波数変動のために、電力網周波数を検出することが望ましい。言うまでもなく、このことも、電力網の位相のためにさらに適用可能である。

ステップＣ）、すなわち速度差が目標軌跡に追従するようにタービンを加減速させることが、本発明にとって肝心である。ステップＣ）において、目標軌跡は、計測した差角と当該計測した差角を目標角に変換する機能とに従って、目標速度差を決定することによって、タービンとＡＣ電力網との間における目標角位置が同期供給に適するように実現される軌跡である。目標角位置を実現することのみが重要という訳では無く、目標角位置を急速に実現することも重要である。本発明における方法によって、特に目標角位置を急速に実現することができる。

計測した差角を目標角に変換するための機能は様々存在するが、一般には、ランプ関数、すなわちランプ関数の始まりにおける検出された差角から所望の目標角位置に至る目標角の直線経路が適切である。

目標軌跡は、ステップＣ）の開始時にタービンと電力網との間における差角が検出された場合に、検出された差角から開始され、目標開始位置に終了する。言い換えると、目標速度差は、ステップＣ）の開始時にすなわち目標軌跡に対する追従開始時に検出された差角に従って、目標角位置に至るまで、すなわち最終的に望ましい差角に至るまで大きくなる。

この場合には、目標軌跡は、目標差角の決定に基づくことに留意すべきである。目標回転速度は、目標差角と実際の差角との差から決定される。目標回転速度は、一般的なタービン制御ユニットで利用可能とされる変数である。従って、目標回転速度の決定に留意すべきである。

単純な場合には、差角を検出し、当該差角に従ってタービンを加減速させれば十分である。ステップＡ）の実施後に、タービンの速度と電力網の速度とが既に十分に一致している。目標軌跡に追従する場合に、タービンは、目標軌跡に対する追従に起因してタービン周波数と電力網周波数との間に関連する差が生じない程度に、僅かに加減速される。むしろ、本発明は、電力網周波数とタービン周波数とを一致させるために目標角位置への到達及び維持を確実にすることができる。

言うまでもなく、電力網周波数の起こり得る変動について留意すべきである。目標角位置が維持されている場合に、電力網周波数とタービン周波数とが一致するからである。

ステップＡ）では、タービンが、差角を考慮しないで加速されることに今一度留意すべきである。従って、ステップＡ）の終了時には、すなわちステップＡ）の終了直前又は直後には、タービン周波数と電力網周波数とが既に正確に一致しているが、供給を開始することはできない。電力網とタービンとの角位置が適切でないからである。従って、ステップＡ）の際に差角を既に検出することは全く妥当である。しかしながら、このことは、従来技術として知られている方法を大きく変更することを要求するので、計測技術の一層広範囲に亘る適用が必要とされるだろう。このことを回避するために、ステップＡ）は、冒頭で述べたように従来技術に従って実施される。ステップＡ）に続くステップＢ）及びステップＣ）は、別々にプログラムされていれば良い既知の同期装置を利用して実施可能とされる。従って、当該方法は、特に既存の発電所に適しているので、構造的な変更を最小限に抑えることができる。

また、新規で優位な方法が、当該技術分野であっても不快感を伴うことが一般的である。本発明では、このような不快感が著しく低減される。本発明は、冒頭で説明した既知の同期方法に対して高い類似性を有しているからである。

ステップＡ）の後に、実際には、タービンは、電力網周波数を既に低減させている。ステップＣ）において目標角位置に到達した後に、電力供給が既に開始されている。このようにして、電力発生を開始するまでの時間が低減される。従って、一層高い経済生産を達成することができる。本発明において特に重要な態様は、発電所の運転開始を決定した後に電力が非常に急速に必要とされる場合があることである。このような場合には、電力発生が急速に開始される電力網の安定性が極めて重大である。この場合には、数分が経済的に非常に大きい重大性を有している。従来技術では、タービン周波数が電力網周波数と略一致した後に所望の目標角位置に到達するために、２分〜３分以上の時間が要求される場合がある。本発明は、このような時間を著しく低減させることができる。

タービンは、差角が目標角位置に到達するまで目標軌跡に追従するように、急速に加減速可能とされる。必要な時間は、目標軌跡に対する追従を開始した時点における差角に依存する。また、目標角位置に到達するまでの時間は、目標軌跡に、すなわち目標差角がどの程度急速に変化するのかに依存する。言い換えれば、目標軌跡が急激に進行するに従って、目標差角が目標角位置に等しくなるのが速くなる。言うまでもなく、目標軌跡は任意に急激に延伸することができないので、タービンは、差角が実際に目標軌跡に追従するように加減速可能とされる必要がある。目標軌跡の起こり得る傾きは、タービンの慣性に密接に依存する。一般に、重いひいては応答性が低いタービンの場合には、目標軌跡は緩やかに延伸する。

多くの場合に、公称回転速度は、タービンが公称速度に至るまで加速される際に超過する。その後に、遅延が発生する。

公称回転速度の超過を理解するためには、加速が蒸気の供給量に依存し、このことは蒸気の供給値の位置に依存することに留意すべきである。しかしながら、蒸気の供給値の位置の変化が時間を要求する。従って、加速の変化が所定の時間を要求する。

オーバーシュートが、加速度を対応して選択することによって著しく低減される。より具体的には、加速度が急激に変化されなくなり、むしろ連続的に低減されるようになる。従って、オーバーシュートを著しく低減させることができる。この場合には、０．０２Ｈｚより小さい値を実現することができる。このような場合に限り、従来技術では実施されるステップＡ）が実施されなくなる。このことは、上述の状態を変化させないが、ステップＡ）は、従来技術に従って実施可能とされる。特にこのために、タービンとＡＣ電力網との差角を考慮する必要がないことは事実である。

一の実施例では、目標軌跡は、目標差角の直線経路を提供する。従って、目標差角は、傾きとして延伸している。調整のために利用される目標回転速度は、目標差角と検出された差角との差から決定される。この場合には、検出された差角から開始することができる。目標差角は、目標角位置に至るまで時間に比例して延在している。これにより、単純な目標軌跡を得ることができる。

一の実施例では、タービンは、差角が目標軌跡によって付与される目標差角より大きい場合に加速され、差角が目標軌跡によって付与される目標差角より小さい場合に減速される。また、他の選択肢も存在するが、目標軌跡に追従するための上述の方法は有効である。

一の実施例では、タービンとＡＣ電力網との速度差が検出され、目標軌跡に追従する場合に考慮される。このような実際の速度差は、差角によって規定される目標速度差に従って調整される。

明確にするために、“速度差”が度量衡学的に検出された速度差、すなわちタービンと電力網との間における度量衡学的に検出された周波数差として理解されることに留意すべきである。従って、速度差は、タービンと電力網との間における周波数差を表わし、周波数差は、度量衡学的に検出可能とされる。対照的に、目標速度差は、調整特性曲線を介して、目標差角と検出された差角との差から形成されている。

常に速度差の代わりに周波数差を参照することができる。この場合には、目標角位置を参照しており、目標角位置は理想位相と呼称される場合がある。

一の実施例では、従来技術として知られている同期装置が、ステップＢ）及びステップＣ）を実施するために利用される。上述のように、このことは可能であり、施設に対する最終的な変更が非常に小さいという利点を有している。

また、本発明は、上述の方法に従ってタービンを制御するように構成されている、タービンのための制御装置に関する。上述のように、このために、非常に小さい変更が必要とされるにすぎない。このような変更は、対応するプログラムを実行するのに十分である。

制御装置の一の実施例では、タービンとＡＣ電力網との間における差角を検出するように、且つ、タービンの加減速に関する指令をタービン制御ユニットに伝送するように構成されている同期装置が提供される。

上述のように、このような同期装置は、冒頭で説明したように、角位置が一致するまでタービンを僅かに加減速させるために、既に提供されている。このような同期装置は、差角を検出可能であることが必要とされる。従って、当該同期装置は、本発明における方法のために利用可能とされる。

タービン制御ユニットについて、この点に関して簡単に説明する。タービン制御ユニットは、バルブの位置を介してタービンの速度を調整し、これにより蒸気タービンに供給する蒸気の量を設定する。広く知られているタービン制御ユニットは、目標回転速度を入力信号として必要とする。本発明における方法では、目標回転速度が、同期装置によって上昇され、タービン制御ユニットに伝送可能とされる。

本発明について、図面を用いて典型的な実施例に基づいて、以下に詳述する。

タービンの回転速度を調節するための加速を表わす。 公称回転速度に到達した後における差角の例示的な曲線を表わす。 差角がランプ関数を介して目標角位置に調整されることを表わす。 同期の際におけるタービンの回転速度の変化を表わす。 目標角位置に到達させるための調節構造の概略図である。 公称回転速度に至るまでのタービン周波数の調節を表わす。

図１では、横軸が秒単位の時間を指定しており、縦軸がヘルツ単位のタービン周波数を指定している。図中では、５０Ｈｚの公称回転速度に至るまで加速度が調整される。加速度が調整されるので、実質的にオーバーシュートが発生しない。すなわち、タービンの加速度が公称回転速度を超過することは実質的に回避される。

図２では、横軸が秒単位の時間を指定しており、縦軸が検出された差角を指定している。図２は、図１と同様に、加速開始後の４０秒〜８０秒の時間を図示している。差角のこのような例示的な曲線の場合には、８０秒経過後に、すなわち公称回転速度に至るまでの加速が完了した後に、差角は６２．５°になる。

従って、タービンは電力網より６２．５°進んでいる。従って、タービンは、目標角の０°に到達させるために、一層低速で回転しようとするが、タービン周波数及び電力網周波数は、目標角に到達した際に確実に一致している必要がある。

図３は、本発明における調整を理解するための図である。横軸は、加速後の時間を秒単位で指定しており、縦軸は、タービンと電力網との間における差角を指定している。実践の曲線は、実際の差角を表わす。図２は、５５秒〜８０秒の間における曲線を表わす。その後に、目標角位置への調整が開始される。破線に注目すべきである。当該破線は、各時間点における目標差角を示している。当該破線は、時間８０秒且つ実際の差角−６２．５°の点から開始されている。差角０°が究極的に望ましいので、この場合には目標角位置は０°となる。

このことを実現するために、目標差角の曲線は、破線によって特定されている。この場合には、当該破線は傾斜しており、すなわち調整開始時点のおける実際の差角と目標角位置、この場合には通常０°との間における直線経路とされる。

従って、検出された差角を目標差角と連続的に比較し、タービンを加減速させることができる。オーバーシュートに関連して上述したように、加減速を任意の速さで変更することはできない。このことは、傾斜の限定的な勾配と目標差角と検出された差角との間における偏差のフィードバック制御とに起因する。

目標角位置における目標差角の直線経路は、差角を一定に維持する調整によって特定される。差角が一定に維持される場合には、タービン周波数と電力網周波数とが自動的に一致する。

図４は、調整の結果として得られたタービン周波数の曲線を表わす。横軸は、加速開始後の時間を秒単位で示しており、縦軸は、タービン周波数をＨｚ単位で示している。加速開始後５５秒〜８０秒の範囲におけるタービン周波数の曲線を見ると、タービン周波数は僅かにオーバーシュートしており、すなわち電力網周波数を僅かに超過する加速度が顕在している。

実際に注目すべき範囲は、加速後８０秒以降の範囲である。上述のように、検出された差角−６２．５°において、タービンは、一時的に電力網より低速になる必要がある。このことは、図３で説明したように目標差角が追従することによって実現される。

図５は、調整をするための構成の概略図である。目標軌跡モジュール１は、目標差角２の曲線を特定している。この場合には、傾斜は、図３で説明したように選択されるものであり、調整開始時に検出された差角３から所望の目標角位置に至るまでの時間に亘り直線的に延在している。目標角位置に到達した後でも、目標軌道は直線的に延在するので、目標角位置を維持する必要がある。

従って、目標軌道モジュール１は目標差角２を出力する。目標差角２は検出された差角３と比較される。このようにして得られた差角比較値４が、分析ユニット５に伝送され、分析ユニット５によって差角比較値４からタービン周波数の増減値が決定される。従って、目標周波数６が決定され、タービン制御ユニットに伝送される。タービン制御ユニットは、蒸気を供給するための弁の位置ひいてはタービンを制御する役割を有している。典型的なタービン制御ユニットでは、このことは、とりわけ目標周波数に従って実施される。従って、本発明はタービンの加減速に関するが、目標周波数６を決定することができる。タービン制御ユニットは、タービンの加減速を確実に実現することができる。

図６は、タービン周波数を公称回転速度に至るまで上昇させる調整を表わす。加速モジュール７は、目標加速度８すなわち公称回転速度に至る直線加速度を特定している。目標加速度８は出力である。さらに、切替基準９は、加速度が零に設定されるまで調整時間が考慮されることを含んでいる。上述のように、タービンに対する蒸気の供給を制御する弁の調整が、ある程度の時間を必要とするからである。目標加速度８は、切替基準９を考慮して目標回転速度変化１０に変換される。電力網周波数１１を考慮して、最終的に目標タービン周波数１２がタービン制御ユニット１３に伝送される。

本発明について、好ましい典型的な実施例を介して詳細に図解及び説明したが、本発明は、開示される実施例に限定される訳では無く、他の変形例も、本発明の保護範囲を逸脱しない限り、当業者によって導き出すことができる。

１ 目標軌道モジュール
２ 目標差角
３ 検出された差角
４ 差角比較値
５ 分析ユニット
６ 目標周波数
７ 加速モジュール
８ 目標加速度
９ 切替基準
１０ 目標回転速度変化
１１ 電力網周波数
１２ 目標タービン周波数
１３ タービン制御ユニット

Claims (6)

1. 電力網周波数（１１）を有するＡＣ電力網とタービンを同期させるための方法であって、
   Ａ）前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における差角を考慮しないで公称回転速度に至るまで前記タービンを加速させるステップと、
   Ｂ）前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における前記差角（３）を検出するステップと、
   Ｃ）速度差が目標軌跡に追従するように前記タービンを加減速させるステップと、
   を備えている方法において、
   前記目標軌跡が、同期供給に適した目標角位置が前記タービンと前記ＡＣ電力網との間に実現されるように、検出された前記差角（３）に基づいて目標回転速度を特定する軌跡とされ、
   前記タービンが、前記差角が前記目標軌跡によって付与される目標差角より大きい場合に加速され、前記差角が前記目標軌跡によって付与される前記目標差角より小さい場合に減速されることを特徴とする方法。
2. 前記目標軌跡が、前記目標差角（２）の直線経路を提供することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における前記速度差が、検出され、前記目標軌跡に追従する場合に考慮されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における差角（３）、及び前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における速度差を検出するように、且つ、前記タービンを加減速させるための指令をタービン制御ユニットに伝送するように構成されている同期装置が、ステップＢ）及びステップＣ）を実施するために利用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. タービンのための制御装置であって、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法に従って前記タービンを制御するように構成されていることを特徴とする前記制御装置。
6. 前記制御装置が、同期装置を備えており、
   前記同期装置が、前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における差角（３）、及び前記タービンと前記ＡＣ電力網との間における速度差を検出するように、且つ、前記タービンを加減速させるための指令をタービン制御ユニットに伝送するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。

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