火力発電プラントの周波数バイアス制御装置とその運用方法
【課題】出力設定補正量３３に対して周波数補償量３１と協調がとれた適切な上下限制限を掛けることにより、負荷運転状態に係わらず、プラント安定性の維持と許容される最大限の周波数変動抑制効果の発揮を両立させること。
【解決手段】周波数偏差に応じて負荷要求信号（ＭＷＤ）２２を補正する周波数補償回路とは別に、周波数偏差に応じて出力設定補正信号３３を生成し、ＭＷＤ２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正機能を持ち、出力設定補正信号３３に上下限制限値を掛ける手段を含む制御回路により構成した火力発電プラントの周波数変動を抑制する装置である。
【解決手段】周波数偏差に応じて負荷要求信号（ＭＷＤ）２２を補正する周波数補償回路とは別に、周波数偏差に応じて出力設定補正信号３３を生成し、ＭＷＤ２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正機能を持ち、出力設定補正信号３３に上下限制限値を掛ける手段を含む制御回路により構成した火力発電プラントの周波数変動を抑制する装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電プラントにおいて周波数が変動した場合に周波数変動を抑制する周波数補償制御に係わり、（特にユニットマスタの制御目標である負荷要求信号（以下ＭＷＤということがある）２２の補正とは別に、タービンマスタの制御目標である発電機出力の目標値を補正して、各々の補正量をプラント能力に応じて制限できることから、）積極的に周波数補償動作をさせるのに好適な火力発電プラントの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の火力発電プラントの構成を図３に示す。
ここに示す火力発電プラントは、ボイラ１と、ボイラ１で発生した蒸気エネルギを運動エネルギ（回転トルク）に変換する蒸気タービン２（以下、単にタービンということがある）と、タービン２と同軸で回転し、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機３と、ボイラ１からタービン２に流入する蒸気量を調節して発電機３で発電する発電量７を調節するタービン加減弁４と、発電量７を含め火力プラント全体を制御するプラント制御装置（以下ＡＰＣということがある）６と、タービンの回転数を補正する調速機能の各要素１３〜１９及び関連計測機器として発電量検出器８，周波数検出器１０，タービン回転数検出器１２を含んで構成されている。
【０００３】
従来の火力発電プラントのプラント制御装置の周波数バイアス制御を図１０に示す。
送電系統の周波数は、送電系統の需給バランスにより変動する。即ち需要量に対して発電量が多いと周波数は上昇し、反対に発電量が少ないと周波数は低下する。一般に火力発電プラントにはガバナフリー運転と呼ばれている周波数の変動を抑制する運転モード機能があり、これは発電量不足のために周波数が低下すると発電量を増補正し、発電量過多のため周波数が上昇すると発電量を減補正することで、需給バランスを改善し周波数の変動を抑制する運転モードである。
【０００４】
従来の火力発電プラントにおいて、系統周波数の変動の影響を受けて発電機の周波数が変動（発電機回転数も同じ変動と考えてよい）した場合の火力発電プラントの周波数補償動作を以下に説明する。
【０００５】
本発明には発電量７を発電量目標値であるＭＷＤ２２に一致させる制御（以下発電機出力制御又は単に出力制御と呼ぶ）が大きく係わってくるため、まず、出力制御機能から説明する。
【０００６】
動作説明を分かり易くするためにトランジェントな動きは省略する。また本発明では、発電量７と発電量検出値９と発電機出力信号４３を同一として扱って差し支えないため、同一のものとして扱う。
【０００７】
出力制御回路の構成と機能を図１０で説明する。出力指令２１がプラント制御の基本信号であり、これに周波数補償信号３１が加算されてＭＷＤ２２となりプラントの負荷状態が設定される。ＭＷＤ２２は、ボイラ１についての給水量、燃料量、空気量といったボイラ入力の基本信号であり、且つ発電機出力の目標信号であり、蒸気発生側であるボイラ１と蒸気消費側であるタービン２や発電機３の共通基本信号となる。
【０００８】
ＭＷＤ２２と発電機出力信号４３（同信号値を発電機出力４３と呼ぶ）に差があると、発電機出力偏差信号４４（同信号値を発電機出力偏差４４と呼ぶ）に差信号が生じ、発電機出力信号４３がＭＷＤ２２に一致する（＝発電機出力偏差４４が０になる）までＰＩ制御器４６により負荷指令４５を増減制御する。
【０００９】
図３に示すように、負荷指令４５はタービンの回転数補正信号１７が加算されてタービン加減弁開度指令１８となり、タービン加減弁４の開度はサーボ１９によりタービン加減弁開度指令１８に調節される。タービン加減弁４の開度が増減するとボイラ１からタービン２に流れる蒸気量５が変化し、蒸気量５の増減に応じて電気エネルギへの変換量が変わり発電量７が変わる。これが出力制御の基本である。
【００１０】
具体的数値を仮定して以下説明する。単純化するため初期状態として出力指令２１、ＭＷＤ２２、負荷指令４５、タービン加減弁開度指令１８及びタービン加減弁４の開度が全て７０％と仮定する。ここで発電機出力４３が７０％一定に調節されたとき、プラントは出力が一定で安定した運転状態に移行する。
【００１１】
例えば発電量７（＝発電機出力４３）がＭＷＤ２２より１％低い６９％の初期状態を仮定する。発電機出力偏差４４は７０％−６９％＝＋１％となり、負荷指令４５の値はＰＩ制御器４６により７０％から増加し始める。ここではタービン回転数補正信号１７＝０としてタービン加減弁開度指令１８は負荷指令４５と同値となり、タービン加減弁４の開度はサーボ１９により負荷指令４５の値に合わせて７０％から増加（開き操作）し始める。タービン加減弁４の開き操作により、ボイラ１からタービン２へ供給される蒸気５の蒸気流量が増加し、発電量７が６９％から増加し始める。例えば負荷指令４５が７０％→７１％に増加し、タービン加減弁４も７０％→７１％に開いた時、発電機出力４３が６９％→７０％に増加したとすると、このとき発電機出力偏差４４が０になって制御動作が止まり、この状態で安定する。
【００１２】
反対に前記初期状態で発電機出力信号４３がＭＷＤ２２より１％高い７１％だったと仮定すると、発電機出力偏差４４は７０％−７１％＝−１％であり、負荷指令４５はＰＩ制御器４６により７０％から減少方向に制御される。負荷指令４５が７０％→６９％に減少し、タービン加減弁４も７０％→６９％に絞られた時、発電機出力４３が７１％→７０％に減少したとすると、このとき発電機出力偏差４４が０になり制御動作が止まり、この状態で安定する。
【００１３】
次に周波数変動が生じたときの従来技術の挙動を機能別に順次説明する。
まずケース１として、周波数補正機能は図３に示すタービンの調速機能のみとし、図１０に示す周波数補償信号３１がなく、従ってＭＷＤ２２は周波数偏差にて補正されない場合を考える。
【００１４】
系統周波数が変動するとタービン２の回転数と発電機３の回転数および発電機周波数が影響を受ける。タービン回転数が変動するとタービン回転数検出器１２で検出した回転数信号１３が変動し、基準回転数信号１４との間に差が生じて回転数偏差信号１５（同信号値を回転数偏差１５と呼ぶことがある）が生じる。調定率関数１６は回転数偏差１５に比例した回転数補正信号１７（同信号値を回転数補正量１７と呼ぶことがある）を出力し、負荷指令４５に加算されてタービン加減弁開度指令１８が補正されてタービン加減弁４の開度が調節され、発電量７が制御される。出力制御のＰＩ制御器４６が比例積分制御機能を持つのに対し、調定率関数１６は比例制御機能のみである。
【００１５】
出力制御と同様に具体的数値を仮定して説明する。出力指令２１、ＭＷＤ２２、発電機出力４３、負荷指令４５、タービン加減弁開度指令１８及びタービン加減弁４の開度が、いずれも７０％一定で安定している状態において、例えば５０Ｈｚ地域において電力供給量過多のため周波数偏差が０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに上昇した場合の従来技術ケース１について説明する。
【００１６】
まず、タービン調速機能の動作としては、周波数が０．２Ｈｚ上昇（タービン基準回転数３０００ｒｐｍとして回転数が１２ｒｐｍ上昇したことに相当）することにより、回転数信号１３は３０００→３０１２ｒｐｍに増加するため基準速度信号１４の値３０００ｒｐｍとの差である回転数偏差信号１５に−１２ｒｐｍが生じる。ここで調定率を４％（４％の周波数変動（５０Ｈｚ×０．０４＝２Ｈｚ或は３０００ｒｐｍ×０．０４＝１２０ｒｐｍの変動で出力補正量が１００％となる比率）と仮定すると、調定率関数１６により
−１２ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝−１０％
の値が回転数補正信号１７として出力され、ＡＰＣ６より出力されている負荷指令４５の値７０％に加算されてタービン加減弁開度指令１８は７０％−１０％＝６０％となる。
【００１７】
サーボ１９はタービン加減弁開度指令１８に従い、タービン加減弁４の開度を７０％→６０％に絞り操作し、タービン２に供給される蒸気量５が１０％出力に相当する分だけ減少させ、発電量７は７０％→６０％に低下する結果、電力供給量過多の需給バランス状態において出力を１０％低減することで需給バランスの改善に貢献し、＋０．２Ｈｚ上昇している周波数を抑制する方向に作用する。
【００１８】
しかし、ＭＷＤ２２は周波数が変動しても７０％の値は不変であり、発電量７が１０％減少して６０％になると、発電機出力偏差４４が＋１０％となり、ＰＩ制御器４６により負荷指令４５は７０％から増加し始める。具体的には負荷指令４５が８０％まで増加したとき、タービン加減弁開度指令１８は負荷指令（８０％）＋タービン回転数補正量１７（−１０％）＝７０％となり、タービン加減弁４の開度はサーボ１９にて元の７０％に調節され発電量７も元の７０％出力に戻って発電機出力偏差４４が０になりプラントは安定し、周波数変動を抑制する効果がなくなる。
【００１９】
即ち、周波数変動が生じた場合、一時的にタービン２の調速機能によって周波数変動を抑制する方向に発電量７が調整されるが、発電量７が調整されると出力制御の出力目標値であるＭＷＤ２２と差が生じるため、ＰＩ制御器４６により元の発電量に引戻され、タービン調速機能による周波数変動抑制効果が相殺される。
【００２０】
次に従来技術のケース２として、前記の出力制御による周波数変動抑制効果の相殺作用を無くすため、周波数補償関数２４（図１０）を設けたケースを説明する。
出力はＭＷＤ２２を目標に制御されるため、周波数が上昇した場合にはＭＷＤ２２を減じる補正を行い、周波数が低下した場合にはＭＷＤ２２を増加する補正を行うことで、前記従来技術のケース２のような出力制御による周波数変動抑制効果の相殺作用を無くすことができる。
【００２１】
そこで周波数補償関数２４により、周波数偏差に応じて周波数補償信号２５を生成し、これを出力指令２１に加算してＭＷＤ２２とすることが考えられる。しかしＭＷＤ２２が周波数偏差で変動すると、プラント全体の操作量、制御目標や状態量が周波数偏差の影響を直接受ける事になるため、プラントの安定性を確保するため、一般には回路上、以下の配慮がされている。
【００２２】
（１）プラント安定性を確保する目的のために、プラントの許容範囲を超える補償量について制限するが、そのために図１０に示すように、周波数補償下限関数２６及び周波数補償上限関数２９を設ける。プラントが許容できる変動量はプラント負荷状態で変わるため、この上下限関数２６、２９は出力指令２１を入力とする関数としている。
周波数補償信号２５は下限関数２６の出力信号２７と高値選択されることで下限制限され、更にこの下限制限された周波数補償信号２８を上限関数２９の出力信号３０と低値選択することで上下限制限された周波数補償信号３１となる。この周波数補償信号３１を出力指令２１に加算してＭＷＤ２２とする。
【００２３】
（２）周波数変動を抑制する重要性が高くなく、且つプラント安定上好ましくない、小さく周期の早い周波数変動に対しては、周波数補償信号２５を０出力するよう周波数補償関数２４の設定に不感帯を設ける。
図４の周波数補償量カーブに示すように周波数補償関数２４の設定には不感帯があり、小さな周波数変動（変動周期の早いものが多い）では周波数補償信号２５が出力されない設定にしてある。不感帯の幅は±０．１Ｈｚから±０．２Ｈｚ程度が一般的であるが、更に周波数補償関数の不感帯とは別に不感帯以上の任意の周波数変動（例えば±０．２５Ｈｚ）が生じてから、周波数補償信号３１を出力指令２１に加算するように切替器４７のインターロックを設定することもある。
【００２４】
（３）周波数補償信号３１が急変すると応答速度の遅い火力プラントが対応できない状態が考えられるため、プラントの安定を維持する目的で周波数補償回路にＬＡＧや変化率制限器を設ける。
【００２５】
ところで、日本では±０．２Ｈｚを超える周波数変動は希であり、通常の周波数変動は±０．１５Ｈｚ以下である場合が多い。これに対して周波数補償量３１には前記の通り不感帯が設定してあるので、周波数補償信号２５が生じる割合は少なく、不感帯以上の周波数変動により周波数補償信号２５が生じても、図４に示す通りタービン調速機能による補正量に比べて少ない補正量である。よってタービン調速機能による周波数変動抑制効果は出力制御にて相殺される割合が多い。
【００２６】
そこで従来技術のケース３として、タービンの調速機能により補正された発電機出力を発電機出力制御の出力目標値とするため、図１１に示すようにタービン回転数補正信号１７と周波数補償信号３１との差に相当する補正量を周波数偏差に応じて出力設定補正関数３２で発生させ、その出力である出力設定補正信号３３（同信号値を出力設定補正量３３と呼ぶことがある）をＭＷＤ２２に加算して新たに発電機出力設定信号４２とする回路がある。
【００２７】
ケース２では発電機出力４３はＭＷＤ２２を目標として出力制御されていたが、ケース３では発電機出力４３は発電機出力設定信号４２を目標として制御されることになる。
【００２８】
ここで出力設定補正関数３２の設定は、図５及び図６の特性に示す通り、
周波数補償量３１＋出力設定補正量３３＝回転数補正量１７
とすることにある。これによりタービンの調速機能によって得られた周波数変動を抑制する効果が、出力制御で相殺されるか、減じられることが無くなるか、又は少なくなる。
【００２９】
図５は通常周波数変動範囲に重点を置き、特に周波数補償関数２４の不感帯に対して改善をする設定であり、周波数変動が大きい場合には出力設定補正関数３２による補正はせず、プラント安定性に配慮した設定ということができ、主にこの設定が採用されている。図６は周波数変動全域で改善を図った設定で、周波数変動抑制を最重点に置いた設定である。
【００３０】
図３に示す出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路の特徴は、ＭＷＤ２２を直接補正しないことにある。ＭＷＤ２２はプラント全体の操作量や挙動に直接影響を与える信号であるのに対し、出力設定信号４２が直接影響を与えるのは負荷指令４５〜タービン加減弁４〜発電量７であり、特にプラント安定上重要な主機であるボイラ１に対しては、蒸気量５が変動した結果として影響が現れる事になるため、一般には直接ＭＷＤ２２を補正するよりプラント安定上有利と考えられている。
【００３１】
前記ケース２とケース３の違いとなる出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路の有無による制御動作の違いを、前記ケース１と同様に具体的数値を仮定して説明する。
【００３２】
周波数補償関数２４は図４の通り不感帯を±０．１５Ｈｚとし、関数の傾きはタービン調速機能の傾きに合わせて調定率４％（２Ｈｚの変動で出力が１００％補正される傾き）とする。ＭＷＤ２２、負荷指令４５、タービン加減弁４、発電機出力信号４３は７０％一定状態とする。周波数条件はケース１と同様に＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに変動した場合を想定する。またトランジェントな挙動や微妙な応答時間ずれは考慮しないこととする。
【００３３】
まず図１０に示す通り出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路がないケース２の場合を以下に説明する。
この状態で周波数偏差が＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに上昇すると、タービン回転数信号１３は３０００ｒｐｍ→３０１２ｒｐｍに増加し、回転数偏差信号１５は−１２ｒｐｍとなり回転数補正信号１７は、
−１２ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝−１０％
が出力され、タービン加減弁開度指令１８は７０％−１０％＝６０％になり、サーボ１９によりタービン加減弁４の開度が７０％→６０％に絞られる。このため発電量７も７０％→６０％に減じる。ここまではケース１のタービン調速機能の動作と同じである。
【００３４】
一方、周波数補償関数２４の出力は、不感帯＋０．１５Ｈｚ分を除いた＋０．０５Ｈｚ分の周波数変動に対する補償量となる。即ち、周波数補償信号２５は
＋０．０５Ｈｚ÷（５０Ｈｚ×４／１００）×（−１００％）＝−２．５％
の値となる。ここでは周波数補償信号２５の上下限制限は省略し、ＭＷＤ２２は７０％−２．５％＝６７．５％となる。よって発電機出力偏差４４は６７．５％−６０％＝＋７．５％となり、ＰＩ制御器４６は発電量出力４３がＭＷＤ２２と同じ６７．５％に増加するまで負荷指令４５を増加させる。
【００３５】
結果として負荷指令４５は７０％→７７．５％に、タービン加減弁開度指令１８は７０％→６０％→６７．５％、発電量７は７０％→６０％→６７．５％に、それぞれ変動して発電量６７．５％で安定する。このため本来タービン調速機能により発電量７が−１０％されて周波数上昇の抑制に寄与するところ、出力制御による相殺作用のため発電量７は都合−２．５％されるに留まり、周波数変動抑制効果が１／４に低下した事になる。
【００３６】
次に図１１の通り出力設定補正信号３３を生成する前記出力設定補正回路があるケース３の場合で、出力設定補正関数３２に図６の関数が採用されている場合について、同一条件で説明する。
【００３７】
ケース３の場合は、ケース１，２の場合と同様に周波数変動量が＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに上昇したとすると、タービン調速機能によりケース２の場合と同様に回転数補正量１７は−１０％となり、タービン加減弁開度指令１８は７０％−１０％＝６０％になり、サーボ１９によりタービン加減弁４の開度が７０％→６０％に絞られる。このため発電量７も７０％→６０％に減じる。また周波数補償回路もケース２同様に周波数補償量２５は−２．５％となり、ＭＷＤ２２は７０％−２．５％＝６７．５％となる。ここまではケース２と同じである。
【００３８】
一方で出力設定補正関数３２は＋０．１５Ｈｚ相当の補正量である、
＋０．１５Ｈｚ÷（５０Ｈｚ×４／１００）×（−１００％）＝−７．５％
を出力設定補正信号３３として出力する。よって発電機出力設定信号４４はＭＷＤ２２（６７．５％）＋出力設定補正量３３（−７．５％）＝６０％となり、回転数補正量１７にて調節された発電機出力４３と同値になる。
【００３９】
従って、発電機出力偏差信号４４は０であり、ＰＩ制御器４６は働かず、負荷指令４５も変化しないことになり、ＭＷＤ２２は７０％→６７．５％、発電機出力設定信号４２は７０％→６０％、負荷指令４５は７０％と変わらず、タービン加減弁開度指令１８及びタービン加減弁４の開度は７０％→６０％、発電量７は７０％→６０％にそれぞれ変化し安定する。よってタービン調速機能によって得られた周波数変動抑制効果である発電量７の１０％低減は、そのまま維持でき、相殺されることは無い。上述の通り、発電機出力偏差信号４４を０に維持して負荷指令４４を変動させず、タービン２の調速機能をそのまま生かすことがポイントである。
【００４０】
別の見方をすれば、最終的に発電量７は発電機出力設定信号４２に制御されるため、トランジェントな応答は別にして、最終的に周波数変動抑制効果は周波数補償量３１と出力設定補正量３３の合計補正量で決まると言える。
【００４１】
また、特開平１１−２２３１０５号公報に開示された発明は、周波数が一定範囲以上に変動した場合には、出力偏差である減算器（３６）の出力△ＭＷを制限回路（３８）にてブロックし、出力を制御する比例・積分演算器（４０）への入力△ＭＷ’を０とすることで、出力制御を一時的にやめてタービン調速機能による周波数制御機能を発揮させることができる。
【００４２】
従来技術のケース３の出力設定補正信号３３を生成する出力設定補正回路も、特開平１１−２２３１０５号公報に開示された発明も、ＰＩ制御器４６又は比例・積分演算器４０（特開平１１−２２３１０５号公報）の入力信号を０にして、負荷指令４５を変化させず、タービン調速機能による周波数変動抑制機能をそのまま発揮させるものであり、出力制御の制限方法や制限範囲は違うが同様の効果を狙ったものである。
【００４３】
しかし図１１に示す場合には、出力設定補正量３３を制限するものは出力設定補正関数３２の設定のみであり、周波数偏差以外のパラメータで制限することはできない。
【００４４】
また、特開平１１−２２３１０５号公報に開示された発明についても、同様に周波数偏差以外のパラメータで制限することはできない。
【００４５】
火力プラントは一般に高出力運転状態に比べて低出力運転状態の方がプラントの安定性が低く、外乱に弱いため、高負荷で最大の効果を発揮させ、且つ低負荷運転状態でプラントの安定性を確保する点で配慮がされていなかった。
【特許文献１】特開平１１−２２３１０５号公報
【非特許文献１】電気学会技術報告第８６９号「電力系統における常時及び緊急時の負荷周波数制御」Ｐ４３〜４５、電気学会、 ２００２年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４６】
前記従来技術の出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路は、特に周波数偏差が小さい場合に、タービン調速機能による発電量７の調整により周波数変動抑制効果を最大限発揮させるため、タービン回転数補正信号１７で調節された発電量７と発電機出力設定値４２が一致するよう出力設定補正信号３３を生成する制御方式であるが、周波数補償に対して出力設定補正はプラント安定性への悪影響が少ないとの判断からか、又は補正量自体が小さい値でありプラント安定性へ重大な影響を及ぼす懸念がないとの判断からか、従来は特に出力設定補正信号３３には制限回路を設けられていなかった。しかし実際には周波数補償信号より出力設定補正信号の方がプラント安定性への影響が大きい。
【００４７】
従って、高負荷運転状態で十分に補正を生かして最大限の効果を発揮させ、且つプラント安定性が悪くなる低負荷運転状態では補正量に制限を掛け、周波数変動抑制効果とプラント安定性の両立を図れる最適な制御を行うことができるように、十分な配慮がなされているとはいえなかった。
【００４８】
プラントが許容できる出力設定補正量範囲の一例を図７に示す。一般的に低負荷ほど許容範囲が小さくなる。縦軸の合成出力補正制限量は、周波数補償と出力設定補正の合成補正量に対してプラントを安定に保つための上下限制限範囲を示す。具体例で説明する。出力設定補正関数３２が図５或は図６の設定とすると、±０．１５Ｈｚの周波数変動が生じた場合には出力設定補正信号３３の値は±７．５％となる。一方、図７に示す通り、出力指令２１が７５％以上であれば上下限制限範囲は±７．５％以上あり、許容範囲内となるが、出力指令２１が７５％未満のときは上下限制限範囲が±７．５％未満であり、出力設定補正量３３は前記制限範囲を超えることになりプラントが不安定になる可能性がある。また前記制限範囲を超えないように、出力設定補正関数３２の設定値を図７に示す上下限制限範囲の最低値±３％に合わせた場合、高負荷運転状態で最大１０％の補正量が許容されるにも係わらず±３％の補正量に制限すれば、周波数変動を抑制する機能が十分発揮できない。
【００４９】
本発明の課題は、出力設定補正量３３に対して周波数補償量３１と協調がとれた適切な上下限制限を掛けることにより、負荷運転状態に係わらず、プラント安定性の維持と許容される最大限の周波数変動抑制効果の発揮を両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００５０】
前記本発明の課題を解決するため、周波数偏差に応じてＭＷＤ２２を補正する周波数補償回路とは別に、周波数偏差に応じて出力設定補正信号３３を生成し、ＭＷＤ２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正機能を持つ場合に、出力設定補正信号３３についても周波数補償信号に掛ける上下限制限値とは異なる上下限制限値を掛ける手段を含み、一例として、周波数補償信号２８と周波数補償下限信号２７との差分から周波数補償下限裕度信号３４を求める手段と、周波数補償信号３１と周波数補償上限信号３０との差分から周波数補償上限裕度信号３７を求める手段と、下限裕度信号３４，上限裕度信号３７各々に係数を掛け合わせて出力設定補正下限信号３５，同上限信号３８とする手段と、出力設定補正信号３３を前記上下限信号３５，３８にて制限する手段と、前記上下限信号３５，３８にて制限された出力設定補正信号３９をＭＷＤ２２と加算して発電機出力設定信号４２とする手段を含む制御回路にて構成するか、
別の手段として、周波数補償下限信号２７、同上限信号３０とは別に、出力設定補正専用の上下限制限信号３５，３８を生成する手段と、出力設定補正信号３３に対して前記上下限制限信号３５，３８にて上下限制限する手段と、上下限制限された出力設定補正信号３９をＭＷＤ２２と加算して発電機出力設定信号４２とする手段を含む制御回路にて構成し、
更に、出力設定補正関数３２の入力である周波数信号２３又は出力設定補正信号３３〜３９の間にＬＡＧを含ませる場合もある。
【００５１】
また、あらゆる周波数偏差に対して、周波数補償量３１と出力設定補正量３９の合計補正量が、少なくとも周波数補償上限制限値３０及び下限制限値２７の範囲内に入るように構成するか、
又は周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９をインターロック回路や補正関数の設定により使い分けする場合を考慮して、周波数補償量上下限制限と出力設定補正量上下限制限を個別に設け、それぞれの機能においてプラントの安定性が確保できるように制御回路を構成し、
更に、場合によってはＬＡＧ４０により出力設定補正信号３９を遅らせて、発電機出力設定値４２と回転数補正信号１７による発電機出力４３の変化の位相を合致させるように制御回路を構成する。
【００５２】
このように制御装置を構成することにより、周波数偏差が生じたとき周波数補償量３１と出力設定補正量３９を、それぞれプラントの安定性を確保し且つ最大の効果を発揮できるように最適な設定とすることが可能である。
【００５３】
請求項１記載の発明は、ボイラ１と、ボイラ１で生成された蒸気５の熱的エネルギを電気エネルギに変換する蒸気タービン２と、該蒸気タービン２と同軸の発電機３と、ボイラ１から蒸気タービン２へ供給する蒸気５の流量を調整するタービン加減弁４と、ボイラ１の運転及び蒸気タービン加減弁４の操作をそれぞれ制御するプラント制御装置６と、プラント制御装置６から出力される負荷指令信号４５にタービン回転数補正信号１７を加えてタービン加減弁４を調節するタービン調速機能部とを備えた火力発電プラントに用いられる周波数バイアス制御装置において、プラント制御装置６は、発電量の出力指令信号２１の入力があると、送電系統の設定した周波数と出力周波数信号２３との間に生じる周波数偏差に応じた周波数補償信号２５をプラントが許容できる補正範囲に制限して周波数補償信号３１を得て、該周波数補償信号３１を前記出力指令信号２１に加えて負荷要求信号２２を生成する周波数補正回路と、前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３を生成し、得られた出力設定補正信号３３もプラントが許容できる補正範囲に制限して出力設定補正信号３９を得て、該出力設定補正信号３９を前記負荷要求信号２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正回路と、得られた周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９を負荷要求信号２２に加算して発電機出力設定信号４２とし、これに発電機出力信号４３を加えてフィードバック制御により得られた負荷指令信号４５を前記タービン加減弁４に出力する負荷指令回路とを備えた火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５４】
請求項２記載の発明は、プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の許容変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９により出力指令信号２１の周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０をそれぞれ得て、該上下限信号２７，３０をもとに前記周波数補償信号２５を制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、プラント制御装置６の出力設定補正回路は、前記目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０に対する該周波数補償信号３１の上下限裕度を演算して周波数補償量下限余裕信号３４と周波数補償量上限余裕信号３７をそれぞれ得て、該周波数補償量上下限余裕信号３７，３４にそれぞれ所定の係数Ｋ１、Ｋ２を掛け合わせた信号をそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８とし、得られた出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成とする請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５５】
請求項３記載の発明は、プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９によりそれぞれ目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０を得て、前記周波数補償信号２５を前記上下限信号３０，２７をもとに制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、プラント制御装置６の出力設定補正回路は、出力指令２１に基づき設定される出力設定補正下限関数５０と出力設定補正上限関数５３によりそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８を得て、該出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成とした請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５６】
請求項４記載の発明は、プラント制御装置６の出力設定補正回路には、周波数信号２３、出力設定補正信号３３及び出力設定補正信号３９の少なくともいずれかに遅れ要素４０を加える請求項２又は３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５７】
請求項５記載の発明は、プラント制御装置６は、周波数補償上限制限値３０と周波数補償下限制限値２７と周波数補償信号（＝周波数補償量）３１と出力設定補正信号（＝出力設定補正量）３９との間に以下（１）式と（２）式の関係となる制御動作をすることで、周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の両補正が加わった状態でプラント運転を行う発電量７の制御を行う請求項２記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
（１） ［周波数補償上限制限値３０］
≧［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ１
（２） ［周波数補償量下限制限値２７］
≦［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ２
但し、０≦Ｋ１≦２、０≦Ｋ２≦２
【００５８】
請求項６記載の発明は、周波数補正回路により得られる周波数補償信号３１と出力設定補正回路により得られる出力設定補正信号３９を、それぞれ別々に使い分けるか又は両方使用する請求項３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法である。
【００５９】
請求項７記載の発明は、周波数変動が生じた場合に、タービン加減弁４の動作に対する発電量７の遅れをＬＡＧ４０にて補償し、発電機出力設定値４２と発電機出力信号４３の位相を合致させることで制御上の外乱を防ぎ、安定したプラント制御を行う請求項４に記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法である。
【発明の効果】
【００６０】
請求項１記載の発明によれば、周波数補償に対して出力設定補正をすることにより、高負荷運転状態で十分に補正を生かして最大限の効果を発揮させ、且つプラント安定性が悪くなる低負荷運転状態では補正量に制限を掛け、周波数変動抑制効果とプラント安定性の両立を図れる最適な制御を行うことができるようになる。また、言い換えると、請求項１記載の発明によれば、全負荷帯でプラント安定性を確保した上で、最大の周波数変動抑制効果を得ることができるので、系統周波数の安定に最大限寄与できる。
【００６１】
請求項２、５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、周波数補償と出力設定補正の合計補正量を回路上管理しているので、広範囲に亘って周波数補償と出力設定補正が可能である。
【００６２】
請求項３、６記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、周波数補償と出力設定補正の合計補正量を回路上管理していないので、出力設定補正関数３２の設定に関しては、周波数補償の不感帯を出力設定補正で補完するような棲み分けを考慮した設定（図５参照）に適している。
【００６３】
請求項４、７記載の発明によれば、請求項２、３記載の発明の効果に加えて、高圧タービン２の他に再熱器を利用する中低圧タービンを用いる場合などには、タービン加減弁４の操作と発電量７の時間差に相当するＬＡＧ４０を出力設定補正回路に挿入すると余分なトランジェント動作を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００６５】
図３は従来技術の項で説明した通り本発明の対象である火力発電プラントの構成図であり、図１は図３の火力発電プラントに適用される本発明の一実施形態を示す前記プラントの周波数バイアス制御装置の制御回路図である。
【００６６】
図１に示す制御回路は、従来技術である図１１の制御回路に加えて、発電機出力４３と発電機出力設定値４２の位相調整を行なうＬＡＧ４０と、周波数補償下限信号２７と下限制限された周波数補償信号２８との減算を行う減算器６２と、減算器６２の出力信号（周波数補償下限裕度）３４に出力指令２１を変換関数６３で変換した変換信号４１（０≦Ｋ１≦２）を掛ける乗算器６４と、乗算器６４の出力信号３５と出力設定補正信号３３の高値選択をする下限制限器６５と、周波数補償上限信号３０と上下限制限された周波数補償信号３１との減算を行う減算器６６と、減算器６６の出力信号（周波数補償上限裕度）３７に前記変換信号４１（図１ではＫ１＝Ｋ２として、共通の変換信号４１を用いている）を掛ける乗算器６８と、乗算器６８の出力信号３８と出力設定補正信号３６の低値選択をする上限制限器６９と、周波数補償量裕度から出力設定補正上下限制限値に変換する変換関数６３とその出力信号である変換信号４１を含んで構成されている。そして、前記ＬＡＧ４０で位相調整された発電機出力４３の出力周波数信号２３は出力設定補正関数３２で補正されて得られた出力設定補正信号３３は下限制限器６５で下限が設定された出力設定補正信号３６となり、この出力設定補正信号３６は上限制限器６９で上限が設定された出力設定補正信号３９となり、負荷要求信号（ＭＷＤ）２２に合算される。
【００６７】
本発明の制御回路及び制御信号の挙動について図１を用いて説明する。
従来技術のケース３で説明したと同じように具体的数値を仮定する。周波数補償関数２４及び出力設定補正関数３２は図６に示す設定とする。出力指令２１〜発電量７まで７０％で安定しているとして以下に説明する。
【００６８】
火力発電プラントの運転中に周波数信号２３が変動して周波数偏差が＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚになったとき、周波数補償信号２５の値は図６に示す通り−２．５％となる。出力指令７０％における周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０は図７に示す通り±７％である。よって周波数補償信号２５は周波数補償下限制限器６０と周波数補償上限制限器６１で制限を受けることなく、−２．５％のまま周波数補償信号３１として出力される。
【００６９】
出力設定補正信号３３は図６に示す通り−７．５％となる。ここで出力設定補正上下限動作は以下のように働く。周波数補償下限裕度３４は、周波数補償下限値（−７％）−周波数補償信号２８（−２．５％）＝−４．５％となり、周波数補償上限裕度３７は、周波数補償上限値（＋７％）−周波数補償信号３１（−２．５％）＝＋９．５％となる。ここでは０〜２の範囲の数値をとる変換関数６３の出力信号４１の実施例として、Ｋ１＝１、Ｋ２＝１とし、出力設定補正下限信号３５は−４．５％、同上限信号３８は＋９．５％となる。
【００７０】
Ｋ１、Ｋ２の値については、調定率関数１６の特性と発電機出力設定信号４２の特性を合わせるため「１」を基本とする。但し、後述の通り蒸気量５の圧力変動が大きい場合には１以下の数値に設定する場合がある。
一方、出力設定補正関数３２が図５の特性の場合、小さな周波数変動範囲の動作のため圧力変動に余裕がある条件ではＫ１、Ｋ２を１〜２の範囲で設定し、より大きな効果を得ることもできる。
【００７１】
出力設定補正信号３３（−７．５％）と出力設定補正下限信号３５（−４．５％）は下限制限器６５にて高値選択され、出力設定補正信号３６として−４．５％に制限されて出力する。更にこの出力設定補正信号３６（−４．５％）と出力設定補正上限信号３８（＋９．５％）は上限制限器６９にて低値選択され、出力設定補正信号３９として−４．５％を出力する。
【００７２】
上下限制限前の周波数補償信号２５と出力設定補正信号３３の合計補正量−２．５％＋（−７．５％）＝−１０％に対し、上下限制限後の周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の合計補正量は−２．５％＋（−４．５％）＝−７％となり、合計補正量が周波数補償下限値２７（−７％）に制限されたことになる。ちなみに従来技術ケース３では、出力設定補正信号に制限がないため、合計補正量は−１０％となり周波数補償下限制限値を超過する。
【００７３】
出力制御については、ＭＷＤ２２が出力指令２１（７０％）＋周波数補償量３１（−２．５％）＝６７．５％になり、発電機出力設定値４２はＭＷＤ２２（６７．５％）＋出力設定補正量３９（−４．５％）＝６３％になり、合計−７％補正されるのに対し、タービン２の調速機能による回転数補正信号１７は、従来技術にて説明の通り＋０．２Ｈｚが−１２ｒｐｍ偏差に相当するため、
−１２ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝−１０％
となる。
【００７４】
前記したとおり最終的に発電量７は発電機出力設定信号４２に出力制御されるので、調速機能の周波数変動抑制効果で発電量７が−１０％補正されるところ、出力指令７０％にて運転中のプラントの安定性を確保するために出力制御にて発電量７の補正量は−７％に抑制される。
【００７５】
周波数変動条件を変えた例により説明する。
周波数１１の変動が＋０Ｈｚから−０．３Ｈｚになった場合、周波数補償信号２５の値は図６に示す通り＋７．５％となる。出力指令７０％における周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０は図７に示す通り、±７％である。周波数補償信号２５（＋７．５％）と周波数補償下限信号２７（−７％）は下限制限器６０により高値選択され、周波数補償信号２８として＋７．５％を出力する。更に周波数補償信号２８（＋７．５％）と周波数補償上限信号３０（＋７％）は上限制限器６１により低値選択され、周波数補償信号３１として＋７％に制限されて出力する。
【００７６】
出力設定補正信号３３は図６に示す通り、周波数補償信号２５と同じ＋７．５％が出力される。周波数補償下限裕度３４は、減算器６２により周波数補償下限信号２７（−７％）−周波数補償信号２８（＋７．５％）＝−１４．５％となる。変換係数４１は１なので出力設定補正下限信号３５も−１４．５％となる。また周波数補償上限裕度３７は、減算器６６により周波数補償上限信号３０（＋７％）−周波数補償信号３１（＋７％）＝０％となり、出力設定補正上限信号３８も同値の０％となる。
【００７７】
次に出力設定補正信号３３（＋７．５％）と出力設定補正下限信号３５（−１４．５％）は下限制限器６５にて高値選択され、出力設定補正信号３６として＋７．５％を出力する。更にこの出力設定補正信号３６（＋７．５％）と出力設定補正上限信号３８（＋０％）は上限制限器６９にて低値選択され、出力設定補正信号３９として０％に制限されて出力する。上下限制限前の周波数補償信号２５と出力設定補正信号３３の合計補正量は＋７．５％＋７．５％＝＋１５％に対し、上下限制限後の周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の合計補正量＋７％＋０％＝＋７％となり、合計補正量が周波数補償上限値＋７％にて制限された事になる。この場合も従来技術ケース３では合計補正量が＋７％＋７．５％＝１４．５％となり制限値を大きく超過することになる。
【００７８】
出力制御については、ＭＷＤ２２は出力指令２１（７０％）＋周波数補償信号３１（＋７％）＝７７％に、発電機出力設定信号４２はＭＷＤ２２（７７％）＋出力設定補正信号３９（０％）＝７７％になり、合計＋７％の補正であるのに対し、タービンの調速機能による回転数補正信号１７は、−０．３Ｈｚが＋１８ｒｐｍ偏差に相当するため、
＋１８ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝＋１５％
となる。調速機能の周波数変動抑制効果で発電量７が＋１５％補正されるところ、出力指令７０％にて運転中のプラントの安定性を確保するため出力制御にて発電量７の補正量は＋７％に抑制される。
【００７９】
また、出力指令２１が３０％の低負荷運転状態について一例を説明する。
周波数２３の変動が＋０Ｈｚから−０．１Ｈｚになった場合、図６に示す通り周波数補償量２５は不感帯の周波数変動範囲なので０％となる。図７より出力指令３０％における周波数補償下限信号２７は−０％、同上限信号３０は＋３％となる。周波数補償信号２５（０％）と周波数補償下限信号２７（０％）とは下限制限器６０により高値選択され周波数補償信号２８として０％が出力される。更に周波数補償信号２８（０％）と周波数補償上限信号３０（＋３％）とは上限制限器６１により低値選択され周波数補償信号３１として０％が出力される。
【００８０】
出力設定補正信号３３は図６に示す通り＋５％が出力される。周波数補償下限裕度３４は、減算器６２により周波数補償下限信号２７（０％）−周波数補償信号２８（０％）＝０％が出力され、出力設定下限信号３５も同値の０％となる。次に出力設定補正信号３３（＋５％）と出力設定補正下限信号３５（０％）とは下限制限器６５により高値選択され、出力設定補正信号３６として＋５％を出力する。また周波数補償上限裕度３７は、減算器６６により周波数補償上限信号３０（＋３％）−周波数補償信号３１（０％）＝＋３％となり、出力設定上限信号３８も同値の＋３％となる。出力設定補正信号３６（＋５％）と出力設定補正上限信号３８（＋３％）は上限制限器６９により低値選択され、出力設定補正信号３９として＋３％に制限され出力される。上下限制限前の周波数補償量２５と出力設定補正量３３の合計補正量０％＋５％＝＋５％に対し、上下限制限後の周波数補償量３１と出力設定補正量３９は０％＋３％＝＋３％となり、合計補正量が周波数補償上限値３０の＋３％にて制限された事になる。この条件でも従来技術ケース３では、合計補正量は０％＋５％＝５％となり制限値を超過することになる。
【００８１】
出力制御については、ＭＷＤ２２＝出力指令２１（３０％）＋周波数補償信号３１（０％）＝３０％で、発電機出力設定信号４２＝ＭＷＤ２２（３０％）＋出力設定補正信号３９（＋３％）＝３３％となり合計＋３％の補正に対し、タービンの調速機能による回転数補正信号１７は、−０．１Ｈｚが＋６ｒｐｍ偏差に相当するため、
＋６ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝＋５％
となる。調速機能の周波数変動抑制効果で発電量７が＋５％補正されるところ、出力指令３０％にて運転中のプラントの安定性を確保するため出力制御にて発電量７の補正量は＋３％に抑制される。
【００８２】
ところで変換係数６３は０〜１の値をとる。その理由は同じ補正量であっても周波数補償より出力設定補正の方がプラント状態量の変動が大きく安定性に悪影響を与える場合があり、元々周波数補償用に設定してある周波数補償上下限制限関数２６，２９を出力設定補正の上下限制限に適用するには若干減じて使用するのが適当な場合がある。
【００８３】
周波数補償や出力設定補正がプラントへ与える影響として最も懸念されるのは、ボイラ１の蒸気圧力変動である。蒸気圧力はボイラ１の蒸気発生量とタービン加減弁４を通過する蒸気量５のバランスにより変動する。例えば安定状態においてタービン加減弁４を絞り蒸気量５が少なくなると、（ボイラ１の蒸発量）＞（蒸気量５）となり、蒸気供給量が消費量を上回るためボイラ１の蒸気圧力は上昇する。このときにはボイラ１の蒸気圧力が戻るまで、図示はしていないがボイラ制御信号７３を低減して給水量、燃料量を少なくする必要がある。タービン加減弁４を開いた場合は反対に圧力が低下するので、ボイラ１の給水量、燃料量を増加させて蒸発量を増やし、蒸気圧力を回復させ蒸気量５とバランスさせなければならない。
【００８４】
ここで周波数補償と出力設定補正の蒸気圧力に対する挙動の違いを説明する。
周波数変動があって周波数補償量３１による補正が生じた場合は、タービン回転数補正信号１７によりタービン加減弁４が制御され、ＭＷＤ２２は周波数補償量３１により相当量の補正がなされる。図１に示す通り、ＭＷＤ２２は発電機出力設定信号４２とボイラ制御信号７３を同時に同量補正する。従ってタービン加減弁４の制御（蒸気量５の調節）と、図示はしていないがボイラ制御信号７３によるボイラ１の給水量、燃料供給量の制御（蒸発量の調節）が、同位相で操作されるため、ボイラ１の応答遅れはあるもののボイラ１の蒸発量と蒸気量５の差は相対的に少なく、よって圧力変動は比較的少ない。
【００８５】
一方、出力設定補正量３９による補正が生じた場合には、タービン回転数補正信号１７によりタービン加減弁４が制御され、発電機出力設定信号４２は出力設定補正量３９により相当量の補正がなされ発電量７は発電機出力設定信号４２にバランスするものの、ＭＷＤ２２は変わらないためボイラ制御信号７３は直接補正されない。そのため蒸気量５が調節されてもボイラ１の蒸発量が変わらないため蒸気量の需給バランスが崩れ、蒸気圧力が変動する。この蒸気圧力の変動を圧力偏差７０として捉えて、ＰＩ制御器７１でボイラマスタ信号７２を増減し、蒸気圧力が元に戻るまでボイラ制御信号７３を調節する。先にタービン加減弁４が制御（蒸気量５の調節）され、それにより蒸気量アンバランスが生じて蒸気圧力が変動した後、ボイラ１の給水量、燃料供給量が制御（蒸発量の調節）されるため操作に時間差が生じ、前記の周波数補償に比べてボイラ１の対応が遅く蒸気量の需給アンバランスが大きくなるので、圧力変動も相対的に大きくなる。
【００８６】
周波数補償量及び出力設定補正量と圧力変動量との関係について試験結果の一例を図８、図９に示す。図８は周波数補償量と圧力変動の関係を示し、図９は出力設定補正量と圧力変動の関係を示す。周波数補償量の圧力変動特性と出力設定補正量の圧力変動特性を比べると、周波数補償量による圧力変動は出力設定補正量による圧力変動の６割程度と少ない。上記の一実施形態のように周波数補償用に設定してある上下限関数２６，２９を出力設定補正量の上下限制限に利用する場合、通常周波数補償回路の効果と出力設定補正回路の効果を等価とするため、変換関数６３は「１」に設定するが、出力設定補正量による圧力変動を周波数補償量による圧力変動と同等に抑制する必要がある場合には変換関数６３は「０．６程度」に設定するのが適当である。
【００８７】
本実施例では、周波数補償下限裕度３４は周波数補償下限信号２７から周波数補償量２８を減算して求めているが、例えば周波数補償下限裕度３４は周波数補償下限信号２７から周波数補償信号２５を減算して「０」との低値選択をすることで同一の信号を得ることもできる。式で表すと、
周波数補償下限裕度３４＝周波数補償下限値２７−周波数補償量２８
＝Ｍｉｎ．｛（周波数補償下限値２７−周波数補償量２５），０｝
同様に周波数補償上限裕度３７についても、下記は同一信号となる。
周波数補償上限裕度３７＝周波数補償上限値３０−周波数補償量３１
＝Ｍａｘ．｛（周波数補償上限値３０−周波数補償量２５），０｝
これは周波数補償信号の上限下限裕度３４，３７を求める回路として、周波数補償信号２５，２８，３１及び周波数補償上下限信号２７，３０の組み合わせで複数の計算方法が存在するということであり、図１の実施形態はその内の一例に過ぎない。
【００８８】
また図３には示されていないが、一般の火力発電プラントには効率向上のため再熱器がある。タービン加減弁４の開度を調節すれば高圧タービン２に流入する蒸気量５が制御されて高圧タービン２の仕事率は遅れなく追従する。但しタービン加減弁４の開度調節により蒸気量５が制御されても、高圧タービン２から排出された蒸気が再熱器を経由して中低圧タービン（図示せず）へ流入までの容積効果により、中低圧タービンへ流入する蒸気量は下限弁４の開度調節に対してやや遅れる。中低圧タービンの出力は発電量の７割近くを占めるため、実際には発電量７はタービン加減弁４の開度調節より遅れることになる。従い周波数変動と同期して周波数補償信号３１や出力設定補正信号３９で発電機出力設定信号４２を補正したのでは、実際の発電機出力４３より先に補正が入り、タービン加減弁４の操作がオーバーアクションぎみになってしまう。そこでタービン加減弁４の操作と発電量７の時間差に相当するＬＡＧ４０を出力設定補正回路に挿入すると余分なトランジェント動作を抑制することができる。周波数補償回路のＬＡＧも同様の遅れ時間に設定するのがよい。
【実施例２】
【００８９】
本発明の他の実施形態を図２に示す。前記の図１に示す実施の形態では出力設定補正信号３３に対する上下限制限値３５，３８を、周波数補償信号２５の上下限裕度３４，３７から生成したのに対し、本実施形態の特徴は出力設定補正信号３３に対する上下限制限値３５，３８を、出力指令２１を入力とする関数にて個別に得ることにあり、周波数補償回路の裕度とは回路上の相関関係はない。
【００９０】
図２の回路構成は、まず出力指令２１を入力とする出力設定補正下限関数５０により出力設定補正下限信号３５を生成し、同じ出力指令２１を入力とする出力設定補正上限関数５３により出力設定補正上限信号３８を生成する。出力設定補正関数３２から出力される出力設定補正信号３３と出力設定補正下限信号３５を下限制限器６５にて高値選択して出力設定補正信号３６を出力する。その出力設定補正信号３６と出力設定補正上限信号３８を上限制限器６９にて低値選択して出力設定信号補正量３９とし、ＭＷＤ２２に加算して発電機出力設定信号４２とする。
【００９１】
動作は出力設定補正下限信号３５、出力設定補正上限信号３８の生成過程が異なるだけで、出力設定補正信号３３に対する上下限制限値３５，３８の制限方法や出力制御の動作などは図１の実施形態と変わりない。
【００９２】
出力設定上下限関数５０，５３の設定値は、図１の実施形態の説明で述べたように、周波数補償上下限関数２６，２９の設定値と同じかあるいは若干小さい設定値にするのが良い。例えば図８，１２に示すような圧力応答の比率差であれば、周波数補償上下限関数２６，２９の設定値の０．６〜１倍程度が適正範囲である。また、本実施形態では周波数補償と出力設定補正の合計補正量を回路上管理していないので、出力設定補正関数３２の設定に関しては、図６に示すような両補正量が広い範囲に亘って混在する設定は好ましくなく、図５に示す周波数補償の不感帯を出力設定補正で補完し、及び／または出力指令２１の範囲で分担分けするような棲み分けを考慮した設定が適当である。
【００９３】
なお、ＬＡＧ４０の遅れ時間は、実施例１、２共に０〜２０秒の間の適切な値に設定される。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明によれば、最大限ガバナフリー効果を高めることができ、低負荷でも安定したガバーナーフリーの周波数調整能力がある火力発電プラントとして利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態の一例に関わる制御回路を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態に関わる制御回路を示す図である。
【図３】火力発電プラントの構成を示す図である。
【図４】周波数補償関数設定値の一例を示した図である。
【図５】出力設定補正関数設定値の一例を示した図である。
【図６】出力設定補正関数設定値の他の例を示した図である。
【図７】周波数補償上下限制限関数の一例を示した図である。
【図８】周波数補償量と圧力変動の関係を示した図である。
【図９】出力設定補正量と圧力変動の関係を示した図である。
【図１０】従来例に関わる制御回路を示す図である。
【図１１】従来例に関わる制御回路を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ ボイラ ３２ 出力設定補正関数
２ 蒸気タービン ３３ 出力設定補正信号
３ 発電機 ３４ 周波数補償下限裕度
４ タービン加減弁 ３５ 出力設定補正下限信号
５ 蒸気量 ３６ 出力設定補正信号
６ ＡＰＣ（プラント制御装置） ３７ 周波数補償上限裕度
７ 発電量 ３８ 出力設定補正上限信号
８ 発電量検出器 ３９ 出力設定補正信号
９ 発電量信号 ４０ 遅れ要素
１０ 周波数検出器 ４１ 変換信号
１１ 周波数信号 ４２ 発電機出力設定信号
１２ タービン回転数検出器 ４３ 発電機出力信号
１３ 回転数信号 ４４ 発電機出力偏差信号
１４ 基準回転数信号 ４５ 負荷指令
１５ 回転数偏差信号 ４６ ＰＩ制御器
１６ 調定率関数 ４７ 切替器
１７ 回転数補正信号 ５０ 出力設定補正下限関数
１８ タービン加減弁指令 ５３ 出力設定補正上限関数
１９ タービン加減弁サーボ ６０ 下限制限器
２０ 出力目標値 ６１ 上限制限器
２１ 出力指令 ６２ 減算器
２２ 負荷要求信号（ＭＷＤ） ６３ 変換関数
２３ 周波数信号 ６４ 乗算器
２４ 周波数補償関数 ６５ 下限制限器
２５ 周波数補償信号 ６６ 減算器
２６ 周波数補償下限関数 ６８ 乗算器
２７ 周波数補償下限信号 ６９ 上限制限器
２８ 周波数補償信号 ７０ 主蒸気圧力偏差
２９ 周波数補償上限関数 ７１ ＰＩ制御器
３０ 周波数補償上限信号 ７２ ボイラマスタ信号
３１ 周波数補償信号 ７３ ボイラ制御信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電プラントにおいて周波数が変動した場合に周波数変動を抑制する周波数補償制御に係わり、（特にユニットマスタの制御目標である負荷要求信号（以下ＭＷＤということがある）２２の補正とは別に、タービンマスタの制御目標である発電機出力の目標値を補正して、各々の補正量をプラント能力に応じて制限できることから、）積極的に周波数補償動作をさせるのに好適な火力発電プラントの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の火力発電プラントの構成を図３に示す。
ここに示す火力発電プラントは、ボイラ１と、ボイラ１で発生した蒸気エネルギを運動エネルギ（回転トルク）に変換する蒸気タービン２（以下、単にタービンということがある）と、タービン２と同軸で回転し、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機３と、ボイラ１からタービン２に流入する蒸気量を調節して発電機３で発電する発電量７を調節するタービン加減弁４と、発電量７を含め火力プラント全体を制御するプラント制御装置（以下ＡＰＣということがある）６と、タービンの回転数を補正する調速機能の各要素１３〜１９及び関連計測機器として発電量検出器８，周波数検出器１０，タービン回転数検出器１２を含んで構成されている。
【０００３】
従来の火力発電プラントのプラント制御装置の周波数バイアス制御を図１０に示す。
送電系統の周波数は、送電系統の需給バランスにより変動する。即ち需要量に対して発電量が多いと周波数は上昇し、反対に発電量が少ないと周波数は低下する。一般に火力発電プラントにはガバナフリー運転と呼ばれている周波数の変動を抑制する運転モード機能があり、これは発電量不足のために周波数が低下すると発電量を増補正し、発電量過多のため周波数が上昇すると発電量を減補正することで、需給バランスを改善し周波数の変動を抑制する運転モードである。
【０００４】
従来の火力発電プラントにおいて、系統周波数の変動の影響を受けて発電機の周波数が変動（発電機回転数も同じ変動と考えてよい）した場合の火力発電プラントの周波数補償動作を以下に説明する。
【０００５】
本発明には発電量７を発電量目標値であるＭＷＤ２２に一致させる制御（以下発電機出力制御又は単に出力制御と呼ぶ）が大きく係わってくるため、まず、出力制御機能から説明する。
【０００６】
動作説明を分かり易くするためにトランジェントな動きは省略する。また本発明では、発電量７と発電量検出値９と発電機出力信号４３を同一として扱って差し支えないため、同一のものとして扱う。
【０００７】
出力制御回路の構成と機能を図１０で説明する。出力指令２１がプラント制御の基本信号であり、これに周波数補償信号３１が加算されてＭＷＤ２２となりプラントの負荷状態が設定される。ＭＷＤ２２は、ボイラ１についての給水量、燃料量、空気量といったボイラ入力の基本信号であり、且つ発電機出力の目標信号であり、蒸気発生側であるボイラ１と蒸気消費側であるタービン２や発電機３の共通基本信号となる。
【０００８】
ＭＷＤ２２と発電機出力信号４３（同信号値を発電機出力４３と呼ぶ）に差があると、発電機出力偏差信号４４（同信号値を発電機出力偏差４４と呼ぶ）に差信号が生じ、発電機出力信号４３がＭＷＤ２２に一致する（＝発電機出力偏差４４が０になる）までＰＩ制御器４６により負荷指令４５を増減制御する。
【０００９】
図３に示すように、負荷指令４５はタービンの回転数補正信号１７が加算されてタービン加減弁開度指令１８となり、タービン加減弁４の開度はサーボ１９によりタービン加減弁開度指令１８に調節される。タービン加減弁４の開度が増減するとボイラ１からタービン２に流れる蒸気量５が変化し、蒸気量５の増減に応じて電気エネルギへの変換量が変わり発電量７が変わる。これが出力制御の基本である。
【００１０】
具体的数値を仮定して以下説明する。単純化するため初期状態として出力指令２１、ＭＷＤ２２、負荷指令４５、タービン加減弁開度指令１８及びタービン加減弁４の開度が全て７０％と仮定する。ここで発電機出力４３が７０％一定に調節されたとき、プラントは出力が一定で安定した運転状態に移行する。
【００１１】
例えば発電量７（＝発電機出力４３）がＭＷＤ２２より１％低い６９％の初期状態を仮定する。発電機出力偏差４４は７０％−６９％＝＋１％となり、負荷指令４５の値はＰＩ制御器４６により７０％から増加し始める。ここではタービン回転数補正信号１７＝０としてタービン加減弁開度指令１８は負荷指令４５と同値となり、タービン加減弁４の開度はサーボ１９により負荷指令４５の値に合わせて７０％から増加（開き操作）し始める。タービン加減弁４の開き操作により、ボイラ１からタービン２へ供給される蒸気５の蒸気流量が増加し、発電量７が６９％から増加し始める。例えば負荷指令４５が７０％→７１％に増加し、タービン加減弁４も７０％→７１％に開いた時、発電機出力４３が６９％→７０％に増加したとすると、このとき発電機出力偏差４４が０になって制御動作が止まり、この状態で安定する。
【００１２】
反対に前記初期状態で発電機出力信号４３がＭＷＤ２２より１％高い７１％だったと仮定すると、発電機出力偏差４４は７０％−７１％＝−１％であり、負荷指令４５はＰＩ制御器４６により７０％から減少方向に制御される。負荷指令４５が７０％→６９％に減少し、タービン加減弁４も７０％→６９％に絞られた時、発電機出力４３が７１％→７０％に減少したとすると、このとき発電機出力偏差４４が０になり制御動作が止まり、この状態で安定する。
【００１３】
次に周波数変動が生じたときの従来技術の挙動を機能別に順次説明する。
まずケース１として、周波数補正機能は図３に示すタービンの調速機能のみとし、図１０に示す周波数補償信号３１がなく、従ってＭＷＤ２２は周波数偏差にて補正されない場合を考える。
【００１４】
系統周波数が変動するとタービン２の回転数と発電機３の回転数および発電機周波数が影響を受ける。タービン回転数が変動するとタービン回転数検出器１２で検出した回転数信号１３が変動し、基準回転数信号１４との間に差が生じて回転数偏差信号１５（同信号値を回転数偏差１５と呼ぶことがある）が生じる。調定率関数１６は回転数偏差１５に比例した回転数補正信号１７（同信号値を回転数補正量１７と呼ぶことがある）を出力し、負荷指令４５に加算されてタービン加減弁開度指令１８が補正されてタービン加減弁４の開度が調節され、発電量７が制御される。出力制御のＰＩ制御器４６が比例積分制御機能を持つのに対し、調定率関数１６は比例制御機能のみである。
【００１５】
出力制御と同様に具体的数値を仮定して説明する。出力指令２１、ＭＷＤ２２、発電機出力４３、負荷指令４５、タービン加減弁開度指令１８及びタービン加減弁４の開度が、いずれも７０％一定で安定している状態において、例えば５０Ｈｚ地域において電力供給量過多のため周波数偏差が０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに上昇した場合の従来技術ケース１について説明する。
【００１６】
まず、タービン調速機能の動作としては、周波数が０．２Ｈｚ上昇（タービン基準回転数３０００ｒｐｍとして回転数が１２ｒｐｍ上昇したことに相当）することにより、回転数信号１３は３０００→３０１２ｒｐｍに増加するため基準速度信号１４の値３０００ｒｐｍとの差である回転数偏差信号１５に−１２ｒｐｍが生じる。ここで調定率を４％（４％の周波数変動（５０Ｈｚ×０．０４＝２Ｈｚ或は３０００ｒｐｍ×０．０４＝１２０ｒｐｍの変動で出力補正量が１００％となる比率）と仮定すると、調定率関数１６により
−１２ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝−１０％
の値が回転数補正信号１７として出力され、ＡＰＣ６より出力されている負荷指令４５の値７０％に加算されてタービン加減弁開度指令１８は７０％−１０％＝６０％となる。
【００１７】
サーボ１９はタービン加減弁開度指令１８に従い、タービン加減弁４の開度を７０％→６０％に絞り操作し、タービン２に供給される蒸気量５が１０％出力に相当する分だけ減少させ、発電量７は７０％→６０％に低下する結果、電力供給量過多の需給バランス状態において出力を１０％低減することで需給バランスの改善に貢献し、＋０．２Ｈｚ上昇している周波数を抑制する方向に作用する。
【００１８】
しかし、ＭＷＤ２２は周波数が変動しても７０％の値は不変であり、発電量７が１０％減少して６０％になると、発電機出力偏差４４が＋１０％となり、ＰＩ制御器４６により負荷指令４５は７０％から増加し始める。具体的には負荷指令４５が８０％まで増加したとき、タービン加減弁開度指令１８は負荷指令（８０％）＋タービン回転数補正量１７（−１０％）＝７０％となり、タービン加減弁４の開度はサーボ１９にて元の７０％に調節され発電量７も元の７０％出力に戻って発電機出力偏差４４が０になりプラントは安定し、周波数変動を抑制する効果がなくなる。
【００１９】
即ち、周波数変動が生じた場合、一時的にタービン２の調速機能によって周波数変動を抑制する方向に発電量７が調整されるが、発電量７が調整されると出力制御の出力目標値であるＭＷＤ２２と差が生じるため、ＰＩ制御器４６により元の発電量に引戻され、タービン調速機能による周波数変動抑制効果が相殺される。
【００２０】
次に従来技術のケース２として、前記の出力制御による周波数変動抑制効果の相殺作用を無くすため、周波数補償関数２４（図１０）を設けたケースを説明する。
出力はＭＷＤ２２を目標に制御されるため、周波数が上昇した場合にはＭＷＤ２２を減じる補正を行い、周波数が低下した場合にはＭＷＤ２２を増加する補正を行うことで、前記従来技術のケース２のような出力制御による周波数変動抑制効果の相殺作用を無くすことができる。
【００２１】
そこで周波数補償関数２４により、周波数偏差に応じて周波数補償信号２５を生成し、これを出力指令２１に加算してＭＷＤ２２とすることが考えられる。しかしＭＷＤ２２が周波数偏差で変動すると、プラント全体の操作量、制御目標や状態量が周波数偏差の影響を直接受ける事になるため、プラントの安定性を確保するため、一般には回路上、以下の配慮がされている。
【００２２】
（１）プラント安定性を確保する目的のために、プラントの許容範囲を超える補償量について制限するが、そのために図１０に示すように、周波数補償下限関数２６及び周波数補償上限関数２９を設ける。プラントが許容できる変動量はプラント負荷状態で変わるため、この上下限関数２６、２９は出力指令２１を入力とする関数としている。
周波数補償信号２５は下限関数２６の出力信号２７と高値選択されることで下限制限され、更にこの下限制限された周波数補償信号２８を上限関数２９の出力信号３０と低値選択することで上下限制限された周波数補償信号３１となる。この周波数補償信号３１を出力指令２１に加算してＭＷＤ２２とする。
【００２３】
（２）周波数変動を抑制する重要性が高くなく、且つプラント安定上好ましくない、小さく周期の早い周波数変動に対しては、周波数補償信号２５を０出力するよう周波数補償関数２４の設定に不感帯を設ける。
図４の周波数補償量カーブに示すように周波数補償関数２４の設定には不感帯があり、小さな周波数変動（変動周期の早いものが多い）では周波数補償信号２５が出力されない設定にしてある。不感帯の幅は±０．１Ｈｚから±０．２Ｈｚ程度が一般的であるが、更に周波数補償関数の不感帯とは別に不感帯以上の任意の周波数変動（例えば±０．２５Ｈｚ）が生じてから、周波数補償信号３１を出力指令２１に加算するように切替器４７のインターロックを設定することもある。
【００２４】
（３）周波数補償信号３１が急変すると応答速度の遅い火力プラントが対応できない状態が考えられるため、プラントの安定を維持する目的で周波数補償回路にＬＡＧや変化率制限器を設ける。
【００２５】
ところで、日本では±０．２Ｈｚを超える周波数変動は希であり、通常の周波数変動は±０．１５Ｈｚ以下である場合が多い。これに対して周波数補償量３１には前記の通り不感帯が設定してあるので、周波数補償信号２５が生じる割合は少なく、不感帯以上の周波数変動により周波数補償信号２５が生じても、図４に示す通りタービン調速機能による補正量に比べて少ない補正量である。よってタービン調速機能による周波数変動抑制効果は出力制御にて相殺される割合が多い。
【００２６】
そこで従来技術のケース３として、タービンの調速機能により補正された発電機出力を発電機出力制御の出力目標値とするため、図１１に示すようにタービン回転数補正信号１７と周波数補償信号３１との差に相当する補正量を周波数偏差に応じて出力設定補正関数３２で発生させ、その出力である出力設定補正信号３３（同信号値を出力設定補正量３３と呼ぶことがある）をＭＷＤ２２に加算して新たに発電機出力設定信号４２とする回路がある。
【００２７】
ケース２では発電機出力４３はＭＷＤ２２を目標として出力制御されていたが、ケース３では発電機出力４３は発電機出力設定信号４２を目標として制御されることになる。
【００２８】
ここで出力設定補正関数３２の設定は、図５及び図６の特性に示す通り、
周波数補償量３１＋出力設定補正量３３＝回転数補正量１７
とすることにある。これによりタービンの調速機能によって得られた周波数変動を抑制する効果が、出力制御で相殺されるか、減じられることが無くなるか、又は少なくなる。
【００２９】
図５は通常周波数変動範囲に重点を置き、特に周波数補償関数２４の不感帯に対して改善をする設定であり、周波数変動が大きい場合には出力設定補正関数３２による補正はせず、プラント安定性に配慮した設定ということができ、主にこの設定が採用されている。図６は周波数変動全域で改善を図った設定で、周波数変動抑制を最重点に置いた設定である。
【００３０】
図３に示す出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路の特徴は、ＭＷＤ２２を直接補正しないことにある。ＭＷＤ２２はプラント全体の操作量や挙動に直接影響を与える信号であるのに対し、出力設定信号４２が直接影響を与えるのは負荷指令４５〜タービン加減弁４〜発電量７であり、特にプラント安定上重要な主機であるボイラ１に対しては、蒸気量５が変動した結果として影響が現れる事になるため、一般には直接ＭＷＤ２２を補正するよりプラント安定上有利と考えられている。
【００３１】
前記ケース２とケース３の違いとなる出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路の有無による制御動作の違いを、前記ケース１と同様に具体的数値を仮定して説明する。
【００３２】
周波数補償関数２４は図４の通り不感帯を±０．１５Ｈｚとし、関数の傾きはタービン調速機能の傾きに合わせて調定率４％（２Ｈｚの変動で出力が１００％補正される傾き）とする。ＭＷＤ２２、負荷指令４５、タービン加減弁４、発電機出力信号４３は７０％一定状態とする。周波数条件はケース１と同様に＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに変動した場合を想定する。またトランジェントな挙動や微妙な応答時間ずれは考慮しないこととする。
【００３３】
まず図１０に示す通り出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路がないケース２の場合を以下に説明する。
この状態で周波数偏差が＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに上昇すると、タービン回転数信号１３は３０００ｒｐｍ→３０１２ｒｐｍに増加し、回転数偏差信号１５は−１２ｒｐｍとなり回転数補正信号１７は、
−１２ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝−１０％
が出力され、タービン加減弁開度指令１８は７０％−１０％＝６０％になり、サーボ１９によりタービン加減弁４の開度が７０％→６０％に絞られる。このため発電量７も７０％→６０％に減じる。ここまではケース１のタービン調速機能の動作と同じである。
【００３４】
一方、周波数補償関数２４の出力は、不感帯＋０．１５Ｈｚ分を除いた＋０．０５Ｈｚ分の周波数変動に対する補償量となる。即ち、周波数補償信号２５は
＋０．０５Ｈｚ÷（５０Ｈｚ×４／１００）×（−１００％）＝−２．５％
の値となる。ここでは周波数補償信号２５の上下限制限は省略し、ＭＷＤ２２は７０％−２．５％＝６７．５％となる。よって発電機出力偏差４４は６７．５％−６０％＝＋７．５％となり、ＰＩ制御器４６は発電量出力４３がＭＷＤ２２と同じ６７．５％に増加するまで負荷指令４５を増加させる。
【００３５】
結果として負荷指令４５は７０％→７７．５％に、タービン加減弁開度指令１８は７０％→６０％→６７．５％、発電量７は７０％→６０％→６７．５％に、それぞれ変動して発電量６７．５％で安定する。このため本来タービン調速機能により発電量７が−１０％されて周波数上昇の抑制に寄与するところ、出力制御による相殺作用のため発電量７は都合−２．５％されるに留まり、周波数変動抑制効果が１／４に低下した事になる。
【００３６】
次に図１１の通り出力設定補正信号３３を生成する前記出力設定補正回路があるケース３の場合で、出力設定補正関数３２に図６の関数が採用されている場合について、同一条件で説明する。
【００３７】
ケース３の場合は、ケース１，２の場合と同様に周波数変動量が＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚに上昇したとすると、タービン調速機能によりケース２の場合と同様に回転数補正量１７は−１０％となり、タービン加減弁開度指令１８は７０％−１０％＝６０％になり、サーボ１９によりタービン加減弁４の開度が７０％→６０％に絞られる。このため発電量７も７０％→６０％に減じる。また周波数補償回路もケース２同様に周波数補償量２５は−２．５％となり、ＭＷＤ２２は７０％−２．５％＝６７．５％となる。ここまではケース２と同じである。
【００３８】
一方で出力設定補正関数３２は＋０．１５Ｈｚ相当の補正量である、
＋０．１５Ｈｚ÷（５０Ｈｚ×４／１００）×（−１００％）＝−７．５％
を出力設定補正信号３３として出力する。よって発電機出力設定信号４４はＭＷＤ２２（６７．５％）＋出力設定補正量３３（−７．５％）＝６０％となり、回転数補正量１７にて調節された発電機出力４３と同値になる。
【００３９】
従って、発電機出力偏差信号４４は０であり、ＰＩ制御器４６は働かず、負荷指令４５も変化しないことになり、ＭＷＤ２２は７０％→６７．５％、発電機出力設定信号４２は７０％→６０％、負荷指令４５は７０％と変わらず、タービン加減弁開度指令１８及びタービン加減弁４の開度は７０％→６０％、発電量７は７０％→６０％にそれぞれ変化し安定する。よってタービン調速機能によって得られた周波数変動抑制効果である発電量７の１０％低減は、そのまま維持でき、相殺されることは無い。上述の通り、発電機出力偏差信号４４を０に維持して負荷指令４４を変動させず、タービン２の調速機能をそのまま生かすことがポイントである。
【００４０】
別の見方をすれば、最終的に発電量７は発電機出力設定信号４２に制御されるため、トランジェントな応答は別にして、最終的に周波数変動抑制効果は周波数補償量３１と出力設定補正量３３の合計補正量で決まると言える。
【００４１】
また、特開平１１−２２３１０５号公報に開示された発明は、周波数が一定範囲以上に変動した場合には、出力偏差である減算器（３６）の出力△ＭＷを制限回路（３８）にてブロックし、出力を制御する比例・積分演算器（４０）への入力△ＭＷ’を０とすることで、出力制御を一時的にやめてタービン調速機能による周波数制御機能を発揮させることができる。
【００４２】
従来技術のケース３の出力設定補正信号３３を生成する出力設定補正回路も、特開平１１−２２３１０５号公報に開示された発明も、ＰＩ制御器４６又は比例・積分演算器４０（特開平１１−２２３１０５号公報）の入力信号を０にして、負荷指令４５を変化させず、タービン調速機能による周波数変動抑制機能をそのまま発揮させるものであり、出力制御の制限方法や制限範囲は違うが同様の効果を狙ったものである。
【００４３】
しかし図１１に示す場合には、出力設定補正量３３を制限するものは出力設定補正関数３２の設定のみであり、周波数偏差以外のパラメータで制限することはできない。
【００４４】
また、特開平１１−２２３１０５号公報に開示された発明についても、同様に周波数偏差以外のパラメータで制限することはできない。
【００４５】
火力プラントは一般に高出力運転状態に比べて低出力運転状態の方がプラントの安定性が低く、外乱に弱いため、高負荷で最大の効果を発揮させ、且つ低負荷運転状態でプラントの安定性を確保する点で配慮がされていなかった。
【特許文献１】特開平１１−２２３１０５号公報
【非特許文献１】電気学会技術報告第８６９号「電力系統における常時及び緊急時の負荷周波数制御」Ｐ４３〜４５、電気学会、 ２００２年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４６】
前記従来技術の出力設定補正関数３２を含む出力設定補正回路は、特に周波数偏差が小さい場合に、タービン調速機能による発電量７の調整により周波数変動抑制効果を最大限発揮させるため、タービン回転数補正信号１７で調節された発電量７と発電機出力設定値４２が一致するよう出力設定補正信号３３を生成する制御方式であるが、周波数補償に対して出力設定補正はプラント安定性への悪影響が少ないとの判断からか、又は補正量自体が小さい値でありプラント安定性へ重大な影響を及ぼす懸念がないとの判断からか、従来は特に出力設定補正信号３３には制限回路を設けられていなかった。しかし実際には周波数補償信号より出力設定補正信号の方がプラント安定性への影響が大きい。
【００４７】
従って、高負荷運転状態で十分に補正を生かして最大限の効果を発揮させ、且つプラント安定性が悪くなる低負荷運転状態では補正量に制限を掛け、周波数変動抑制効果とプラント安定性の両立を図れる最適な制御を行うことができるように、十分な配慮がなされているとはいえなかった。
【００４８】
プラントが許容できる出力設定補正量範囲の一例を図７に示す。一般的に低負荷ほど許容範囲が小さくなる。縦軸の合成出力補正制限量は、周波数補償と出力設定補正の合成補正量に対してプラントを安定に保つための上下限制限範囲を示す。具体例で説明する。出力設定補正関数３２が図５或は図６の設定とすると、±０．１５Ｈｚの周波数変動が生じた場合には出力設定補正信号３３の値は±７．５％となる。一方、図７に示す通り、出力指令２１が７５％以上であれば上下限制限範囲は±７．５％以上あり、許容範囲内となるが、出力指令２１が７５％未満のときは上下限制限範囲が±７．５％未満であり、出力設定補正量３３は前記制限範囲を超えることになりプラントが不安定になる可能性がある。また前記制限範囲を超えないように、出力設定補正関数３２の設定値を図７に示す上下限制限範囲の最低値±３％に合わせた場合、高負荷運転状態で最大１０％の補正量が許容されるにも係わらず±３％の補正量に制限すれば、周波数変動を抑制する機能が十分発揮できない。
【００４９】
本発明の課題は、出力設定補正量３３に対して周波数補償量３１と協調がとれた適切な上下限制限を掛けることにより、負荷運転状態に係わらず、プラント安定性の維持と許容される最大限の周波数変動抑制効果の発揮を両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００５０】
前記本発明の課題を解決するため、周波数偏差に応じてＭＷＤ２２を補正する周波数補償回路とは別に、周波数偏差に応じて出力設定補正信号３３を生成し、ＭＷＤ２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正機能を持つ場合に、出力設定補正信号３３についても周波数補償信号に掛ける上下限制限値とは異なる上下限制限値を掛ける手段を含み、一例として、周波数補償信号２８と周波数補償下限信号２７との差分から周波数補償下限裕度信号３４を求める手段と、周波数補償信号３１と周波数補償上限信号３０との差分から周波数補償上限裕度信号３７を求める手段と、下限裕度信号３４，上限裕度信号３７各々に係数を掛け合わせて出力設定補正下限信号３５，同上限信号３８とする手段と、出力設定補正信号３３を前記上下限信号３５，３８にて制限する手段と、前記上下限信号３５，３８にて制限された出力設定補正信号３９をＭＷＤ２２と加算して発電機出力設定信号４２とする手段を含む制御回路にて構成するか、
別の手段として、周波数補償下限信号２７、同上限信号３０とは別に、出力設定補正専用の上下限制限信号３５，３８を生成する手段と、出力設定補正信号３３に対して前記上下限制限信号３５，３８にて上下限制限する手段と、上下限制限された出力設定補正信号３９をＭＷＤ２２と加算して発電機出力設定信号４２とする手段を含む制御回路にて構成し、
更に、出力設定補正関数３２の入力である周波数信号２３又は出力設定補正信号３３〜３９の間にＬＡＧを含ませる場合もある。
【００５１】
また、あらゆる周波数偏差に対して、周波数補償量３１と出力設定補正量３９の合計補正量が、少なくとも周波数補償上限制限値３０及び下限制限値２７の範囲内に入るように構成するか、
又は周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９をインターロック回路や補正関数の設定により使い分けする場合を考慮して、周波数補償量上下限制限と出力設定補正量上下限制限を個別に設け、それぞれの機能においてプラントの安定性が確保できるように制御回路を構成し、
更に、場合によってはＬＡＧ４０により出力設定補正信号３９を遅らせて、発電機出力設定値４２と回転数補正信号１７による発電機出力４３の変化の位相を合致させるように制御回路を構成する。
【００５２】
このように制御装置を構成することにより、周波数偏差が生じたとき周波数補償量３１と出力設定補正量３９を、それぞれプラントの安定性を確保し且つ最大の効果を発揮できるように最適な設定とすることが可能である。
【００５３】
請求項１記載の発明は、ボイラ１と、ボイラ１で生成された蒸気５の熱的エネルギを電気エネルギに変換する蒸気タービン２と、該蒸気タービン２と同軸の発電機３と、ボイラ１から蒸気タービン２へ供給する蒸気５の流量を調整するタービン加減弁４と、ボイラ１の運転及び蒸気タービン加減弁４の操作をそれぞれ制御するプラント制御装置６と、プラント制御装置６から出力される負荷指令信号４５にタービン回転数補正信号１７を加えてタービン加減弁４を調節するタービン調速機能部とを備えた火力発電プラントに用いられる周波数バイアス制御装置において、プラント制御装置６は、発電量の出力指令信号２１の入力があると、送電系統の設定した周波数と出力周波数信号２３との間に生じる周波数偏差に応じた周波数補償信号２５をプラントが許容できる補正範囲に制限して周波数補償信号３１を得て、該周波数補償信号３１を前記出力指令信号２１に加えて負荷要求信号２２を生成する周波数補正回路と、前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３を生成し、得られた出力設定補正信号３３もプラントが許容できる補正範囲に制限して出力設定補正信号３９を得て、該出力設定補正信号３９を前記負荷要求信号２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正回路と、得られた周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９を負荷要求信号２２に加算して発電機出力設定信号４２とし、これに発電機出力信号４３を加えてフィードバック制御により得られた負荷指令信号４５を前記タービン加減弁４に出力する負荷指令回路とを備えた火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５４】
請求項２記載の発明は、プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の許容変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９により出力指令信号２１の周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０をそれぞれ得て、該上下限信号２７，３０をもとに前記周波数補償信号２５を制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、プラント制御装置６の出力設定補正回路は、前記目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０に対する該周波数補償信号３１の上下限裕度を演算して周波数補償量下限余裕信号３４と周波数補償量上限余裕信号３７をそれぞれ得て、該周波数補償量上下限余裕信号３７，３４にそれぞれ所定の係数Ｋ１、Ｋ２を掛け合わせた信号をそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８とし、得られた出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成とする請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５５】
請求項３記載の発明は、プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９によりそれぞれ目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０を得て、前記周波数補償信号２５を前記上下限信号３０，２７をもとに制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、プラント制御装置６の出力設定補正回路は、出力指令２１に基づき設定される出力設定補正下限関数５０と出力設定補正上限関数５３によりそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８を得て、該出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成とした請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５６】
請求項４記載の発明は、プラント制御装置６の出力設定補正回路には、周波数信号２３、出力設定補正信号３３及び出力設定補正信号３９の少なくともいずれかに遅れ要素４０を加える請求項２又は３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
【００５７】
請求項５記載の発明は、プラント制御装置６は、周波数補償上限制限値３０と周波数補償下限制限値２７と周波数補償信号（＝周波数補償量）３１と出力設定補正信号（＝出力設定補正量）３９との間に以下（１）式と（２）式の関係となる制御動作をすることで、周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の両補正が加わった状態でプラント運転を行う発電量７の制御を行う請求項２記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置である。
（１） ［周波数補償上限制限値３０］
≧［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ１
（２） ［周波数補償量下限制限値２７］
≦［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ２
但し、０≦Ｋ１≦２、０≦Ｋ２≦２
【００５８】
請求項６記載の発明は、周波数補正回路により得られる周波数補償信号３１と出力設定補正回路により得られる出力設定補正信号３９を、それぞれ別々に使い分けるか又は両方使用する請求項３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法である。
【００５９】
請求項７記載の発明は、周波数変動が生じた場合に、タービン加減弁４の動作に対する発電量７の遅れをＬＡＧ４０にて補償し、発電機出力設定値４２と発電機出力信号４３の位相を合致させることで制御上の外乱を防ぎ、安定したプラント制御を行う請求項４に記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法である。
【発明の効果】
【００６０】
請求項１記載の発明によれば、周波数補償に対して出力設定補正をすることにより、高負荷運転状態で十分に補正を生かして最大限の効果を発揮させ、且つプラント安定性が悪くなる低負荷運転状態では補正量に制限を掛け、周波数変動抑制効果とプラント安定性の両立を図れる最適な制御を行うことができるようになる。また、言い換えると、請求項１記載の発明によれば、全負荷帯でプラント安定性を確保した上で、最大の周波数変動抑制効果を得ることができるので、系統周波数の安定に最大限寄与できる。
【００６１】
請求項２、５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、周波数補償と出力設定補正の合計補正量を回路上管理しているので、広範囲に亘って周波数補償と出力設定補正が可能である。
【００６２】
請求項３、６記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、周波数補償と出力設定補正の合計補正量を回路上管理していないので、出力設定補正関数３２の設定に関しては、周波数補償の不感帯を出力設定補正で補完するような棲み分けを考慮した設定（図５参照）に適している。
【００６３】
請求項４、７記載の発明によれば、請求項２、３記載の発明の効果に加えて、高圧タービン２の他に再熱器を利用する中低圧タービンを用いる場合などには、タービン加減弁４の操作と発電量７の時間差に相当するＬＡＧ４０を出力設定補正回路に挿入すると余分なトランジェント動作を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００６５】
図３は従来技術の項で説明した通り本発明の対象である火力発電プラントの構成図であり、図１は図３の火力発電プラントに適用される本発明の一実施形態を示す前記プラントの周波数バイアス制御装置の制御回路図である。
【００６６】
図１に示す制御回路は、従来技術である図１１の制御回路に加えて、発電機出力４３と発電機出力設定値４２の位相調整を行なうＬＡＧ４０と、周波数補償下限信号２７と下限制限された周波数補償信号２８との減算を行う減算器６２と、減算器６２の出力信号（周波数補償下限裕度）３４に出力指令２１を変換関数６３で変換した変換信号４１（０≦Ｋ１≦２）を掛ける乗算器６４と、乗算器６４の出力信号３５と出力設定補正信号３３の高値選択をする下限制限器６５と、周波数補償上限信号３０と上下限制限された周波数補償信号３１との減算を行う減算器６６と、減算器６６の出力信号（周波数補償上限裕度）３７に前記変換信号４１（図１ではＫ１＝Ｋ２として、共通の変換信号４１を用いている）を掛ける乗算器６８と、乗算器６８の出力信号３８と出力設定補正信号３６の低値選択をする上限制限器６９と、周波数補償量裕度から出力設定補正上下限制限値に変換する変換関数６３とその出力信号である変換信号４１を含んで構成されている。そして、前記ＬＡＧ４０で位相調整された発電機出力４３の出力周波数信号２３は出力設定補正関数３２で補正されて得られた出力設定補正信号３３は下限制限器６５で下限が設定された出力設定補正信号３６となり、この出力設定補正信号３６は上限制限器６９で上限が設定された出力設定補正信号３９となり、負荷要求信号（ＭＷＤ）２２に合算される。
【００６７】
本発明の制御回路及び制御信号の挙動について図１を用いて説明する。
従来技術のケース３で説明したと同じように具体的数値を仮定する。周波数補償関数２４及び出力設定補正関数３２は図６に示す設定とする。出力指令２１〜発電量７まで７０％で安定しているとして以下に説明する。
【００６８】
火力発電プラントの運転中に周波数信号２３が変動して周波数偏差が＋０Ｈｚから＋０．２Ｈｚになったとき、周波数補償信号２５の値は図６に示す通り−２．５％となる。出力指令７０％における周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０は図７に示す通り±７％である。よって周波数補償信号２５は周波数補償下限制限器６０と周波数補償上限制限器６１で制限を受けることなく、−２．５％のまま周波数補償信号３１として出力される。
【００６９】
出力設定補正信号３３は図６に示す通り−７．５％となる。ここで出力設定補正上下限動作は以下のように働く。周波数補償下限裕度３４は、周波数補償下限値（−７％）−周波数補償信号２８（−２．５％）＝−４．５％となり、周波数補償上限裕度３７は、周波数補償上限値（＋７％）−周波数補償信号３１（−２．５％）＝＋９．５％となる。ここでは０〜２の範囲の数値をとる変換関数６３の出力信号４１の実施例として、Ｋ１＝１、Ｋ２＝１とし、出力設定補正下限信号３５は−４．５％、同上限信号３８は＋９．５％となる。
【００７０】
Ｋ１、Ｋ２の値については、調定率関数１６の特性と発電機出力設定信号４２の特性を合わせるため「１」を基本とする。但し、後述の通り蒸気量５の圧力変動が大きい場合には１以下の数値に設定する場合がある。
一方、出力設定補正関数３２が図５の特性の場合、小さな周波数変動範囲の動作のため圧力変動に余裕がある条件ではＫ１、Ｋ２を１〜２の範囲で設定し、より大きな効果を得ることもできる。
【００７１】
出力設定補正信号３３（−７．５％）と出力設定補正下限信号３５（−４．５％）は下限制限器６５にて高値選択され、出力設定補正信号３６として−４．５％に制限されて出力する。更にこの出力設定補正信号３６（−４．５％）と出力設定補正上限信号３８（＋９．５％）は上限制限器６９にて低値選択され、出力設定補正信号３９として−４．５％を出力する。
【００７２】
上下限制限前の周波数補償信号２５と出力設定補正信号３３の合計補正量−２．５％＋（−７．５％）＝−１０％に対し、上下限制限後の周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の合計補正量は−２．５％＋（−４．５％）＝−７％となり、合計補正量が周波数補償下限値２７（−７％）に制限されたことになる。ちなみに従来技術ケース３では、出力設定補正信号に制限がないため、合計補正量は−１０％となり周波数補償下限制限値を超過する。
【００７３】
出力制御については、ＭＷＤ２２が出力指令２１（７０％）＋周波数補償量３１（−２．５％）＝６７．５％になり、発電機出力設定値４２はＭＷＤ２２（６７．５％）＋出力設定補正量３９（−４．５％）＝６３％になり、合計−７％補正されるのに対し、タービン２の調速機能による回転数補正信号１７は、従来技術にて説明の通り＋０．２Ｈｚが−１２ｒｐｍ偏差に相当するため、
−１２ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝−１０％
となる。
【００７４】
前記したとおり最終的に発電量７は発電機出力設定信号４２に出力制御されるので、調速機能の周波数変動抑制効果で発電量７が−１０％補正されるところ、出力指令７０％にて運転中のプラントの安定性を確保するために出力制御にて発電量７の補正量は−７％に抑制される。
【００７５】
周波数変動条件を変えた例により説明する。
周波数１１の変動が＋０Ｈｚから−０．３Ｈｚになった場合、周波数補償信号２５の値は図６に示す通り＋７．５％となる。出力指令７０％における周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０は図７に示す通り、±７％である。周波数補償信号２５（＋７．５％）と周波数補償下限信号２７（−７％）は下限制限器６０により高値選択され、周波数補償信号２８として＋７．５％を出力する。更に周波数補償信号２８（＋７．５％）と周波数補償上限信号３０（＋７％）は上限制限器６１により低値選択され、周波数補償信号３１として＋７％に制限されて出力する。
【００７６】
出力設定補正信号３３は図６に示す通り、周波数補償信号２５と同じ＋７．５％が出力される。周波数補償下限裕度３４は、減算器６２により周波数補償下限信号２７（−７％）−周波数補償信号２８（＋７．５％）＝−１４．５％となる。変換係数４１は１なので出力設定補正下限信号３５も−１４．５％となる。また周波数補償上限裕度３７は、減算器６６により周波数補償上限信号３０（＋７％）−周波数補償信号３１（＋７％）＝０％となり、出力設定補正上限信号３８も同値の０％となる。
【００７７】
次に出力設定補正信号３３（＋７．５％）と出力設定補正下限信号３５（−１４．５％）は下限制限器６５にて高値選択され、出力設定補正信号３６として＋７．５％を出力する。更にこの出力設定補正信号３６（＋７．５％）と出力設定補正上限信号３８（＋０％）は上限制限器６９にて低値選択され、出力設定補正信号３９として０％に制限されて出力する。上下限制限前の周波数補償信号２５と出力設定補正信号３３の合計補正量は＋７．５％＋７．５％＝＋１５％に対し、上下限制限後の周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の合計補正量＋７％＋０％＝＋７％となり、合計補正量が周波数補償上限値＋７％にて制限された事になる。この場合も従来技術ケース３では合計補正量が＋７％＋７．５％＝１４．５％となり制限値を大きく超過することになる。
【００７８】
出力制御については、ＭＷＤ２２は出力指令２１（７０％）＋周波数補償信号３１（＋７％）＝７７％に、発電機出力設定信号４２はＭＷＤ２２（７７％）＋出力設定補正信号３９（０％）＝７７％になり、合計＋７％の補正であるのに対し、タービンの調速機能による回転数補正信号１７は、−０．３Ｈｚが＋１８ｒｐｍ偏差に相当するため、
＋１８ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝＋１５％
となる。調速機能の周波数変動抑制効果で発電量７が＋１５％補正されるところ、出力指令７０％にて運転中のプラントの安定性を確保するため出力制御にて発電量７の補正量は＋７％に抑制される。
【００７９】
また、出力指令２１が３０％の低負荷運転状態について一例を説明する。
周波数２３の変動が＋０Ｈｚから−０．１Ｈｚになった場合、図６に示す通り周波数補償量２５は不感帯の周波数変動範囲なので０％となる。図７より出力指令３０％における周波数補償下限信号２７は−０％、同上限信号３０は＋３％となる。周波数補償信号２５（０％）と周波数補償下限信号２７（０％）とは下限制限器６０により高値選択され周波数補償信号２８として０％が出力される。更に周波数補償信号２８（０％）と周波数補償上限信号３０（＋３％）とは上限制限器６１により低値選択され周波数補償信号３１として０％が出力される。
【００８０】
出力設定補正信号３３は図６に示す通り＋５％が出力される。周波数補償下限裕度３４は、減算器６２により周波数補償下限信号２７（０％）−周波数補償信号２８（０％）＝０％が出力され、出力設定下限信号３５も同値の０％となる。次に出力設定補正信号３３（＋５％）と出力設定補正下限信号３５（０％）とは下限制限器６５により高値選択され、出力設定補正信号３６として＋５％を出力する。また周波数補償上限裕度３７は、減算器６６により周波数補償上限信号３０（＋３％）−周波数補償信号３１（０％）＝＋３％となり、出力設定上限信号３８も同値の＋３％となる。出力設定補正信号３６（＋５％）と出力設定補正上限信号３８（＋３％）は上限制限器６９により低値選択され、出力設定補正信号３９として＋３％に制限され出力される。上下限制限前の周波数補償量２５と出力設定補正量３３の合計補正量０％＋５％＝＋５％に対し、上下限制限後の周波数補償量３１と出力設定補正量３９は０％＋３％＝＋３％となり、合計補正量が周波数補償上限値３０の＋３％にて制限された事になる。この条件でも従来技術ケース３では、合計補正量は０％＋５％＝５％となり制限値を超過することになる。
【００８１】
出力制御については、ＭＷＤ２２＝出力指令２１（３０％）＋周波数補償信号３１（０％）＝３０％で、発電機出力設定信号４２＝ＭＷＤ２２（３０％）＋出力設定補正信号３９（＋３％）＝３３％となり合計＋３％の補正に対し、タービンの調速機能による回転数補正信号１７は、−０．１Ｈｚが＋６ｒｐｍ偏差に相当するため、
＋６ｒｐｍ÷（３０００ｒｐｍ×４／１００）×１００％＝＋５％
となる。調速機能の周波数変動抑制効果で発電量７が＋５％補正されるところ、出力指令３０％にて運転中のプラントの安定性を確保するため出力制御にて発電量７の補正量は＋３％に抑制される。
【００８２】
ところで変換係数６３は０〜１の値をとる。その理由は同じ補正量であっても周波数補償より出力設定補正の方がプラント状態量の変動が大きく安定性に悪影響を与える場合があり、元々周波数補償用に設定してある周波数補償上下限制限関数２６，２９を出力設定補正の上下限制限に適用するには若干減じて使用するのが適当な場合がある。
【００８３】
周波数補償や出力設定補正がプラントへ与える影響として最も懸念されるのは、ボイラ１の蒸気圧力変動である。蒸気圧力はボイラ１の蒸気発生量とタービン加減弁４を通過する蒸気量５のバランスにより変動する。例えば安定状態においてタービン加減弁４を絞り蒸気量５が少なくなると、（ボイラ１の蒸発量）＞（蒸気量５）となり、蒸気供給量が消費量を上回るためボイラ１の蒸気圧力は上昇する。このときにはボイラ１の蒸気圧力が戻るまで、図示はしていないがボイラ制御信号７３を低減して給水量、燃料量を少なくする必要がある。タービン加減弁４を開いた場合は反対に圧力が低下するので、ボイラ１の給水量、燃料量を増加させて蒸発量を増やし、蒸気圧力を回復させ蒸気量５とバランスさせなければならない。
【００８４】
ここで周波数補償と出力設定補正の蒸気圧力に対する挙動の違いを説明する。
周波数変動があって周波数補償量３１による補正が生じた場合は、タービン回転数補正信号１７によりタービン加減弁４が制御され、ＭＷＤ２２は周波数補償量３１により相当量の補正がなされる。図１に示す通り、ＭＷＤ２２は発電機出力設定信号４２とボイラ制御信号７３を同時に同量補正する。従ってタービン加減弁４の制御（蒸気量５の調節）と、図示はしていないがボイラ制御信号７３によるボイラ１の給水量、燃料供給量の制御（蒸発量の調節）が、同位相で操作されるため、ボイラ１の応答遅れはあるもののボイラ１の蒸発量と蒸気量５の差は相対的に少なく、よって圧力変動は比較的少ない。
【００８５】
一方、出力設定補正量３９による補正が生じた場合には、タービン回転数補正信号１７によりタービン加減弁４が制御され、発電機出力設定信号４２は出力設定補正量３９により相当量の補正がなされ発電量７は発電機出力設定信号４２にバランスするものの、ＭＷＤ２２は変わらないためボイラ制御信号７３は直接補正されない。そのため蒸気量５が調節されてもボイラ１の蒸発量が変わらないため蒸気量の需給バランスが崩れ、蒸気圧力が変動する。この蒸気圧力の変動を圧力偏差７０として捉えて、ＰＩ制御器７１でボイラマスタ信号７２を増減し、蒸気圧力が元に戻るまでボイラ制御信号７３を調節する。先にタービン加減弁４が制御（蒸気量５の調節）され、それにより蒸気量アンバランスが生じて蒸気圧力が変動した後、ボイラ１の給水量、燃料供給量が制御（蒸発量の調節）されるため操作に時間差が生じ、前記の周波数補償に比べてボイラ１の対応が遅く蒸気量の需給アンバランスが大きくなるので、圧力変動も相対的に大きくなる。
【００８６】
周波数補償量及び出力設定補正量と圧力変動量との関係について試験結果の一例を図８、図９に示す。図８は周波数補償量と圧力変動の関係を示し、図９は出力設定補正量と圧力変動の関係を示す。周波数補償量の圧力変動特性と出力設定補正量の圧力変動特性を比べると、周波数補償量による圧力変動は出力設定補正量による圧力変動の６割程度と少ない。上記の一実施形態のように周波数補償用に設定してある上下限関数２６，２９を出力設定補正量の上下限制限に利用する場合、通常周波数補償回路の効果と出力設定補正回路の効果を等価とするため、変換関数６３は「１」に設定するが、出力設定補正量による圧力変動を周波数補償量による圧力変動と同等に抑制する必要がある場合には変換関数６３は「０．６程度」に設定するのが適当である。
【００８７】
本実施例では、周波数補償下限裕度３４は周波数補償下限信号２７から周波数補償量２８を減算して求めているが、例えば周波数補償下限裕度３４は周波数補償下限信号２７から周波数補償信号２５を減算して「０」との低値選択をすることで同一の信号を得ることもできる。式で表すと、
周波数補償下限裕度３４＝周波数補償下限値２７−周波数補償量２８
＝Ｍｉｎ．｛（周波数補償下限値２７−周波数補償量２５），０｝
同様に周波数補償上限裕度３７についても、下記は同一信号となる。
周波数補償上限裕度３７＝周波数補償上限値３０−周波数補償量３１
＝Ｍａｘ．｛（周波数補償上限値３０−周波数補償量２５），０｝
これは周波数補償信号の上限下限裕度３４，３７を求める回路として、周波数補償信号２５，２８，３１及び周波数補償上下限信号２７，３０の組み合わせで複数の計算方法が存在するということであり、図１の実施形態はその内の一例に過ぎない。
【００８８】
また図３には示されていないが、一般の火力発電プラントには効率向上のため再熱器がある。タービン加減弁４の開度を調節すれば高圧タービン２に流入する蒸気量５が制御されて高圧タービン２の仕事率は遅れなく追従する。但しタービン加減弁４の開度調節により蒸気量５が制御されても、高圧タービン２から排出された蒸気が再熱器を経由して中低圧タービン（図示せず）へ流入までの容積効果により、中低圧タービンへ流入する蒸気量は下限弁４の開度調節に対してやや遅れる。中低圧タービンの出力は発電量の７割近くを占めるため、実際には発電量７はタービン加減弁４の開度調節より遅れることになる。従い周波数変動と同期して周波数補償信号３１や出力設定補正信号３９で発電機出力設定信号４２を補正したのでは、実際の発電機出力４３より先に補正が入り、タービン加減弁４の操作がオーバーアクションぎみになってしまう。そこでタービン加減弁４の操作と発電量７の時間差に相当するＬＡＧ４０を出力設定補正回路に挿入すると余分なトランジェント動作を抑制することができる。周波数補償回路のＬＡＧも同様の遅れ時間に設定するのがよい。
【実施例２】
【００８９】
本発明の他の実施形態を図２に示す。前記の図１に示す実施の形態では出力設定補正信号３３に対する上下限制限値３５，３８を、周波数補償信号２５の上下限裕度３４，３７から生成したのに対し、本実施形態の特徴は出力設定補正信号３３に対する上下限制限値３５，３８を、出力指令２１を入力とする関数にて個別に得ることにあり、周波数補償回路の裕度とは回路上の相関関係はない。
【００９０】
図２の回路構成は、まず出力指令２１を入力とする出力設定補正下限関数５０により出力設定補正下限信号３５を生成し、同じ出力指令２１を入力とする出力設定補正上限関数５３により出力設定補正上限信号３８を生成する。出力設定補正関数３２から出力される出力設定補正信号３３と出力設定補正下限信号３５を下限制限器６５にて高値選択して出力設定補正信号３６を出力する。その出力設定補正信号３６と出力設定補正上限信号３８を上限制限器６９にて低値選択して出力設定信号補正量３９とし、ＭＷＤ２２に加算して発電機出力設定信号４２とする。
【００９１】
動作は出力設定補正下限信号３５、出力設定補正上限信号３８の生成過程が異なるだけで、出力設定補正信号３３に対する上下限制限値３５，３８の制限方法や出力制御の動作などは図１の実施形態と変わりない。
【００９２】
出力設定上下限関数５０，５３の設定値は、図１の実施形態の説明で述べたように、周波数補償上下限関数２６，２９の設定値と同じかあるいは若干小さい設定値にするのが良い。例えば図８，１２に示すような圧力応答の比率差であれば、周波数補償上下限関数２６，２９の設定値の０．６〜１倍程度が適正範囲である。また、本実施形態では周波数補償と出力設定補正の合計補正量を回路上管理していないので、出力設定補正関数３２の設定に関しては、図６に示すような両補正量が広い範囲に亘って混在する設定は好ましくなく、図５に示す周波数補償の不感帯を出力設定補正で補完し、及び／または出力指令２１の範囲で分担分けするような棲み分けを考慮した設定が適当である。
【００９３】
なお、ＬＡＧ４０の遅れ時間は、実施例１、２共に０〜２０秒の間の適切な値に設定される。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明によれば、最大限ガバナフリー効果を高めることができ、低負荷でも安定したガバーナーフリーの周波数調整能力がある火力発電プラントとして利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態の一例に関わる制御回路を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態に関わる制御回路を示す図である。
【図３】火力発電プラントの構成を示す図である。
【図４】周波数補償関数設定値の一例を示した図である。
【図５】出力設定補正関数設定値の一例を示した図である。
【図６】出力設定補正関数設定値の他の例を示した図である。
【図７】周波数補償上下限制限関数の一例を示した図である。
【図８】周波数補償量と圧力変動の関係を示した図である。
【図９】出力設定補正量と圧力変動の関係を示した図である。
【図１０】従来例に関わる制御回路を示す図である。
【図１１】従来例に関わる制御回路を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１ ボイラ ３２ 出力設定補正関数
２ 蒸気タービン ３３ 出力設定補正信号
３ 発電機 ３４ 周波数補償下限裕度
４ タービン加減弁 ３５ 出力設定補正下限信号
５ 蒸気量 ３６ 出力設定補正信号
６ ＡＰＣ（プラント制御装置） ３７ 周波数補償上限裕度
７ 発電量 ３８ 出力設定補正上限信号
８ 発電量検出器 ３９ 出力設定補正信号
９ 発電量信号 ４０ 遅れ要素
１０ 周波数検出器 ４１ 変換信号
１１ 周波数信号 ４２ 発電機出力設定信号
１２ タービン回転数検出器 ４３ 発電機出力信号
１３ 回転数信号 ４４ 発電機出力偏差信号
１４ 基準回転数信号 ４５ 負荷指令
１５ 回転数偏差信号 ４６ ＰＩ制御器
１６ 調定率関数 ４７ 切替器
１７ 回転数補正信号 ５０ 出力設定補正下限関数
１８ タービン加減弁指令 ５３ 出力設定補正上限関数
１９ タービン加減弁サーボ ６０ 下限制限器
２０ 出力目標値 ６１ 上限制限器
２１ 出力指令 ６２ 減算器
２２ 負荷要求信号（ＭＷＤ） ６３ 変換関数
２３ 周波数信号 ６４ 乗算器
２４ 周波数補償関数 ６５ 下限制限器
２５ 周波数補償信号 ６６ 減算器
２６ 周波数補償下限関数 ６８ 乗算器
２７ 周波数補償下限信号 ６９ 上限制限器
２８ 周波数補償信号 ７０ 主蒸気圧力偏差
２９ 周波数補償上限関数 ７１ ＰＩ制御器
３０ 周波数補償上限信号 ７２ ボイラマスタ信号
３１ 周波数補償信号 ７３ ボイラ制御信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ１と、ボイラ１で生成された蒸気５の熱的エネルギを電気エネルギに変換する蒸気タービン２と、該蒸気タービン２と同軸の発電機３と、ボイラ１から蒸気タービン２へ供給する蒸気５の流量を調整するタービン加減弁４と、ボイラ１の運転及び蒸気タービン加減弁４の操作をそれぞれ制御するプラント制御装置６と、プラント制御装置６から出力される負荷指令信号４５にタービン回転数補正信号１７を加えてタービン加減弁４を調節するタービン調速機能部とを備えた火力発電プラントに用いられる周波数バイアス制御装置において、
プラント制御装置６は、
発電量の出力指令信号２１の入力があると、送電系統の設定した周波数と出力周波数信号２３との間に生じる周波数偏差に応じた周波数補償信号２５をプラントが許容できる補正範囲に制限して周波数補償信号３１を得て、該周波数補償信号３１を前記出力指令信号２１に加えて負荷要求信号２２を生成する周波数補正回路と、
前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３を生成し、得られた出力設定補正信号３３もプラントが許容できる補正範囲に制限して出力設定補正信号３９を得て、該出力設定補正信号３９を前記負荷要求信号２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正回路と、
得られた周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９を負荷要求信号２２に加算して発電機出力設定信号４２とし、これに発電機出力信号４３を加えてフィードバック制御により得られた負荷指令信号４５を前記タービン加減弁４に出力する負荷指令回路と
を備えたことを特徴とする火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項２】
プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の許容変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９により出力指令信号２１の周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０をそれぞれ得て、該上下限信号２７，３０をもとに前記周波数補償信号２５を制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、
プラント制御装置６の出力設定補正回路は、前記目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０に対する該周波数補償信号３１の上下限裕度を演算して周波数補償量下限余裕信号３４と周波数補償量上限余裕信号３７をそれぞれ得て、該周波数補償量上下限余裕信号３７，３４にそれぞれ所定の係数Ｋ１、Ｋ２を掛け合わせた信号をそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８とし、得られた出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成とする
ことを特徴とする請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項３】
プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９によりそれぞれ目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０を得て、前記周波数補償信号２５を前記上下限信号３０，２７をもとに制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、
プラント制御装置６の出力設定補正回路は、出力指令２１に基づき設定される出力設定補正下限関数５０と出力設定補正上限関数５３によりそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８を得て、該出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成としたことを特徴とする請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項４】
プラント制御装置６の出力設定補正回路には、周波数信号２３、出力設定補正信号３３及び出力設定補正信号３９の少なくともいずれかに遅れ要素４０を加えることを特徴とする請求項２又は３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項５】
プラント制御装置６は、周波数補償上限制限値３０と周波数補償下限制限値２７と周波数補償信号（＝周波数補償量）３１と出力設定補正信号（＝出力設定補正量）３９との間に以下（１）式と（２）式の関係となる制御動作をすることで、周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の両補正が加わった状態でプラント運転を行う発電量７の制御を行うことを特徴とする請求項２記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
（１） ［周波数補償上限制限値３０］
≧［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ１
（２） ［周波数補償量下限制限値２７］
≦［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ２
但し、０≦Ｋ１≦２、０≦Ｋ２≦２
【請求項６】
周波数補正回路により得られる周波数補償信号３１と出力設定補正回路により得られる出力設定補正信号３９を、それぞれ別々に使い分けるか又は両方使用することを特徴とする請求項３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法。
【請求項７】
周波数変動が生じた場合に、タービン加減弁４の動作に対する発電量７の遅れをＬＡＧ４０にて補償し、発電機出力設定値４２と発電機出力信号４３の位相を合致させることで制御上の外乱を防ぎ、安定したプラント制御を行うことを特徴とした請求項４に記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法。
【請求項１】
ボイラ１と、ボイラ１で生成された蒸気５の熱的エネルギを電気エネルギに変換する蒸気タービン２と、該蒸気タービン２と同軸の発電機３と、ボイラ１から蒸気タービン２へ供給する蒸気５の流量を調整するタービン加減弁４と、ボイラ１の運転及び蒸気タービン加減弁４の操作をそれぞれ制御するプラント制御装置６と、プラント制御装置６から出力される負荷指令信号４５にタービン回転数補正信号１７を加えてタービン加減弁４を調節するタービン調速機能部とを備えた火力発電プラントに用いられる周波数バイアス制御装置において、
プラント制御装置６は、
発電量の出力指令信号２１の入力があると、送電系統の設定した周波数と出力周波数信号２３との間に生じる周波数偏差に応じた周波数補償信号２５をプラントが許容できる補正範囲に制限して周波数補償信号３１を得て、該周波数補償信号３１を前記出力指令信号２１に加えて負荷要求信号２２を生成する周波数補正回路と、
前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３を生成し、得られた出力設定補正信号３３もプラントが許容できる補正範囲に制限して出力設定補正信号３９を得て、該出力設定補正信号３９を前記負荷要求信号２２に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正回路と、
得られた周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９を負荷要求信号２２に加算して発電機出力設定信号４２とし、これに発電機出力信号４３を加えてフィードバック制御により得られた負荷指令信号４５を前記タービン加減弁４に出力する負荷指令回路と
を備えたことを特徴とする火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項２】
プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の許容変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９により出力指令信号２１の周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０をそれぞれ得て、該上下限信号２７，３０をもとに前記周波数補償信号２５を制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、
プラント制御装置６の出力設定補正回路は、前記目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０に対する該周波数補償信号３１の上下限裕度を演算して周波数補償量下限余裕信号３４と周波数補償量上限余裕信号３７をそれぞれ得て、該周波数補償量上下限余裕信号３７，３４にそれぞれ所定の係数Ｋ１、Ｋ２を掛け合わせた信号をそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８とし、得られた出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成とする
ことを特徴とする請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項３】
プラント制御装置６の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令２２の変動量に基づき設定される周波数補償下限関数２６と周波数補償上限関数２９によりそれぞれ目標値周波数補償下限信号２７と周波数補償上限信号３０を得て、前記周波数補償信号２５を前記上下限信号３０，２７をもとに制限した周波数補償信号３１を得る構成とし、
プラント制御装置６の出力設定補正回路は、出力指令２１に基づき設定される出力設定補正下限関数５０と出力設定補正上限関数５３によりそれぞれ出力設定補正下限信号３５と出力設定補正上限信号３８を得て、該出力設定補正上下限信号３８，３５により前記周波数偏差に応じた出力設定補正信号３３に対して制限を加えて出力設定補正信号３９とする構成としたことを特徴とする請求項１記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項４】
プラント制御装置６の出力設定補正回路には、周波数信号２３、出力設定補正信号３３及び出力設定補正信号３９の少なくともいずれかに遅れ要素４０を加えることを特徴とする請求項２又は３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
【請求項５】
プラント制御装置６は、周波数補償上限制限値３０と周波数補償下限制限値２７と周波数補償信号（＝周波数補償量）３１と出力設定補正信号（＝出力設定補正量）３９との間に以下（１）式と（２）式の関係となる制御動作をすることで、周波数補償信号３１と出力設定補正信号３９の両補正が加わった状態でプラント運転を行う発電量７の制御を行うことを特徴とする請求項２記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
（１） ［周波数補償上限制限値３０］
≧［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ１
（２） ［周波数補償量下限制限値２７］
≦［周波数補償量３１］＋［出力設定補正量３９］／Ｋ２
但し、０≦Ｋ１≦２、０≦Ｋ２≦２
【請求項６】
周波数補正回路により得られる周波数補償信号３１と出力設定補正回路により得られる出力設定補正信号３９を、それぞれ別々に使い分けるか又は両方使用することを特徴とする請求項３記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法。
【請求項７】
周波数変動が生じた場合に、タービン加減弁４の動作に対する発電量７の遅れをＬＡＧ４０にて補償し、発電機出力設定値４２と発電機出力信号４３の位相を合致させることで制御上の外乱を防ぎ、安定したプラント制御を行うことを特徴とした請求項４に記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１６１５６６（Ｐ２００６−１６１５６６Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４９７４３（Ｐ２００４−３４９７４３）
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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