JP2016082860A - 風車発電システム、風車発電方法、風車発電機制御装置および風車発電機制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風車出力抑制値に基づいて風車発電量を制御すると共に合成出力目標値と前記風車発電量との差分による蓄電池への充放電指示を協調させることで合成出力一定を維持する風車発電機制御装置及び方法並びに風車発電システム及び方法を提供する。
【解決手段】風車出力抑制のための蓄電量目標値と現時点の蓄電量６との差分と合成出力目標値生成部２０の出力である合成出力目標値２１とを足し合わせることで風車出力抑制値３１を作成する風車出力抑制値作成部３０を有する。風車出力抑制値作成部３０は風車抑制値３１を風車発電機WT（３）に入力することで風車発電機WT（３）の発電量を抑制する。合成出力目標値生成部２０で生成された合成出力目標値２１と風車発電量４との差分を減算器２２で求めて当該差分を充放電指令値５として双方向コンバータ４１に入力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力抑制可能な風車発電装置と電力貯蔵装置とを有する風車発電システム及び方法並びに風車発電機制御装置及び方法に関する。

連系する電力系統に対し風車発電装置の出力が変動したことによる影響を与えないようにするためには、電力貯蔵装置などを用いて出力を平滑化する必要がある。平滑化するための電力貯蔵装置を用いることで、風車発電装置と電力貯蔵装置との合成出力（システム出力）を一定にする技術が知られている。

その場合、一定にする合成出力の目標値と風車発電電力との差分をすべて電力貯蔵装置の充放電により吸収しようとするので、電力貯蔵装置に掛かる負荷が大きくなってくる。
また、一定にする合成出力の目標値と実際の風車発電電力量が電力貯蔵装置の容量以上にずれてしまうと合成出力を一定にすることが難しくなってくる。

下記特許文献１に記載されている従来の出力一定制御型風力発電システムにおける風力発電制御装置は、現時点以前の制御期間内の風力発電電力の平均値を演算し、演算した風力発電電力の平均値を風力発電計画値として設定するものにおいて、現時点の電力貯蔵装置たる蓄電池の充電率と充電率目標範囲を比較し、目標範囲内であれば、前記平均値を発電計画値とするが、目標範囲を上回る場合には、発電電力の平均値に１より大きい正の定数を乗じた値を発電計画値として設定し、目標範囲を下回る場合には、発電電力の平均値に１より小さい正の定数を乗じた値を発電計画値として設定するように制御することにより、出力一定制御型風力発電所の蓄電池システムの蓄電容量を低減し、その設置コストを低減するようにしている。

特開２０１４−３６５３８号公報

上記した特許文献１に開示された技術は、発電計画値と風車発電量との差分をすべて電力貯蔵装置たる蓄電池の充放電により吸収するようにするため、発電計画値と風車発電量との差分が電力貯蔵装置の充放電の出力限界を超えると、合成出力を一定に維持することができなくなるという課題がある。

そこで本発明の課題は、風車出力抑制値に基づいて風車発電量を制御すると共に合成出力目標値と前記風車発電量との差分による蓄電池への充放電指示を協調させることで合成出力一定を維持する風車発電システム及び方法並びに風車発電機制御装置及び方法を提供することである。

この課題を解決するために請求項１記載の発明は、出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける風車発電機制御装置であって、該風車発電機制御装置は、風車出力抑制のための電力貯蔵装置の蓄電量目標値と現在の蓄電量との差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで算出される風車出力抑制値に基づいて前記風車発電装置の発電量を制御することを特徴とする。

また請求項２記載の発明は、請求項１記載の風車発電機制御装置において、前記合成出力目標値は、予想される風車発電量と、電力貯蔵装置の蓄電量目標値と現在の蓄電量の差分をある所定の時間で割り、それに所定の係数を掛けたものとを足し合わせることにより設定される、ことを特徴とする。

また請求項３記載の発明は、請求項１記載の風車発電機制御装置において、
前記合成出力目標値は、現時点の電力貯蔵装置の貯蔵率と貯蔵率目標範囲を比較し、
前記貯蔵率が前記目標範囲内であれば、過去の風力発電量の平均値に、
前記貯蔵率が前記目標範囲を上回る場合には、前記風力発電量の平均値に１より大きい正の定数を乗じた値に、
前記貯蔵率が前記目標範囲を下回る場合には、前記風力発電量の平均値に１より小さい正の定数を乗じた値に設定される、ことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項４記載の発明は、出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける風車発電装置の風車発電機制御方法であって、前記風車発電装置は、風車出力抑制のための電力貯蔵装置の蓄電量目標値と現在の蓄電量との差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで算出される風車出力抑制値に基づいて前記風車発電装置の発電量を制御することを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項５記載の発明は、出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおいて、風車出力抑制のための蓄電量目標値と現在の蓄電量の差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで風車出力抑制値を算出する手段と、
算出した風車出力抑制値を風車発電装置に入力して風車の発電量を制御する手段と、
前記合成出力目標値と前記風車発電量との差分を充放電指令値として電力貯蔵装置に入力する手段と、
該充放電指令値に基づいて前記電力貯蔵装置の蓄電量を制御して電力系統の連系点に出力する手段と、を有することを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項６記載の発明は、出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける風車発電方法であって、風車出力抑制のための蓄電量目標値と現在の蓄電量の差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで風車出力抑制値を算出する過程、算出した風車出力抑制値を風車発電装置に入力して風車の発電量を制御する過程、合成出力目標値と前記風車発電量との差分を充放電指令値として電力貯蔵装置に入力する過程、および、前記充放電指令値に基づいて前記電力貯蔵装置の蓄電量を制御して電力系統の連系点に出力する過程、を含むことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項７記載の発明は、出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける蓄電量目標値を設定する風車発電方法であって、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を補正する蓄電量目標値を、運用下限蓄電量と、風車出力抑制のための電力貯蔵装置の蓄電量目標値との間とすることを特徴とする。

本発明によれば、風車出力抑制値に基づいて風車発電量を制御すると共に合成出力目標値と前記風車発電量との差分による蓄電池への充放電指示を協調させることで合成出力一定を維持することが可能となる。

本発明の実施形態に係る風車出力抑制値に基づいて合成出力を安定化させる風車発電システムの構成を示す図である。 図１に示した風車出力抑制値作成部の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る風車出力抑制のための蓄電量目標値の設定イメージを示す図である。 本発明の実施形態に係る合成出力目標値の設定のための詳細構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る風車出力抑制値に基づいて合成出力を安定化させる風車発電システムの構成を示す図である。図１において本発明の実施形態に係る風車出力抑制値に基づいて合成出力を安定化させる風車発電システムは、基本的には、図示の風車発電機ＷＴ（３）と、電力貯蔵装置４０と、それらを制御して系統への出力すなわち連系点への電力となる合成出力２を一定とするための電力安定化装置１とを備えて構成される。

電力安定化装置１内の合成出力目標値生成部２０は、風車発電機ＷＴ（３）の風車発電量４を入力として、例えば上述した特許文献１に示される方法、具体的には、合成出力目標値生成部２０において、現時点の電力貯蔵装置の貯蔵率と貯蔵率目標範囲を比較し、貯蔵率が目標範囲内であれば、過去の風力発電量の平均値に、若しくは、貯蔵率が前記目標範囲を上回る場合には、前記風力発電量の平均値に１より大きい正の定数を乗じた値に、若しくは、貯蔵率が前記目標範囲を下回る場合には、前記風力発電量の平均値に１より小さい正の定数を乗じた値のいずれかに設定する、ことにより合成出力目標値２１を生成する。そして減算器２２で合成出力目標値２１と風車発電量４との差分を求める構成を有している。合成出力目標値２１と風車発電量４との差分は、充放電指令値５として双方向コンバータ４１に入力される。これについては後述する。

また図１において本発明の実施形態に係る風車出力抑制値に基づいて合成出力を安定化させる風車発電システムは、風車出力抑制のための蓄電量目標値７（これについては後述する）と現時点の蓄電量６との差分と合成出力目標値生成部２０の出力である合成出力目標値２１とを足し合わせることで風車出力抑制値３１を作成する風車出力抑制値作成部３０を有している。風車出力抑制値作成部３０で作成した風車出力抑制値３１を風車発電機WT（３）に入力することで風車発電機WT（３）の発電量を抑制する。なお風車出力抑制値作成部３０の詳細は後述する。

また図１において本発明の実施形態に係る風車出力抑制値に基づいて合成出力を安定化させる風車発電システムは、双方向コンバータ４１と蓄電池４２からなる電力貯蔵装置４０を備えている。双方向コンバータ４１は、風車発電機WT（３）の出力抑制された風車発電量４と相俟って蓄電池４２に蓄えられた電力を充放電して合成出力２を一定とすべく連系点に電力を供給する。なお図示していないが、電力貯蔵装置４０は、蓄電池や双方向コンバータを制御するマイコン等からなる制御装置を有し、上述の充放電指令値５を入力として双方向コンバータを制御して充放電量を制御するとともに蓄電池の現時点の蓄電量をアナログ／デジタル変換して現時点における蓄電量の入出力制御を行うことができる。

出力一定型の風車発電システムのゴールは、当業者に既知のように、蓄電池の蓄電量および風速の変化に伴って発電電力が変動する風車発電装置の出力状態を勘案して、系統への出力すなわち合成出力（システム出力）２を一定に制御することに帰着するが、いまだ完全なものは無く、出力一定型の風車発電システムのゴールに到達させる過程でいろいろなものが提案されている。なお電力貯蔵装置４０は、図示の双方向コンバータ４１の外に、蓄電量保持手段としての蓄電池（例えば、鉛電池，リチウムイオン電池，レドックスフロー電池）４２、電気二重層コンデンサ等の高性能キャパシタ、又は、フライホイール等を使用することができる。

図２は、図１に示した風車出力抑制値作成部３０の詳細構成を示すブロック図である。図２において風車出力抑制値作成部３０は、あらかじめ設定された(後述する)風車出力抑制のための蓄電量目標値７と現在の蓄電量６との差分を減算器８で算出する。ここで風車出力抑制のための蓄電量目標値７は、後述する図３に示されるように、合成出力目標値生成部２０により生成される合成出力目標値２１を基準とする座標軸上の所定の蓄電量として定義され、運用上限蓄電量（マージン有）３７よりも低い値に設定される。そして、あらかじめ設定された或る時間（例．１時間以上３時間未満）T1(９)で上記した差分(減算器８の出力)を割算器１１で割算した後に上下限リミッタ１２を介して選択器３５の第１の入力値とする。

その一方、後述する図３に示されるように、合成出力目標値２１を基準とする座標軸に対してプラス／マイナスが規定される、蓄電池の充電可能kW(電力)３２の極性を変換(極性変換器３３)し、0〜1の間の係数Kを掛けたもの(掛算器３４の出力)を選択器３５の第２の入力値とする。

選択器３５は、上記第１の入力値と第２の入力値を比較してその低値を採用して、加算器３６の一方の入力とする。
加算器３６の他方の入力には、上述した合成出力目標値２１が入力され、加算器３６で足し合わせることで風車出力抑制値３１を得るようにする。そして出力された風車出力抑制値３１を図１に示す風車発電機WT（３）に入力する。

風車発電機WT（３）に入力された風車出力抑制値３１に基づいて、風車発電機制御部（図示せず）が風車発電機WT（３）の風車発電量４を抑制することで、図１の減算器２２から出力される充放電指令値５が双方向コンバータ４１に入力され、さらに双方向コンバータ４１によって充放電が制御されて合成出力（連系点電力）２の出力一定が維持されることになる。

そして図１に示す減算器２２からの充放電指令値５にしたがって蓄電池４２の蓄電量が制御されるとともに、双方向コンバータ４１から出力される現在の蓄電量６が合成出力目標値生成部２０および風車出力抑制値作成部３０に入力されることで、風車出力抑制値に基づく風車発電量の制御、及び、風車発電量と合成出力目標値に基づく電力貯蔵装置の充放電の制御についての制御ループが各々形成されて合成出力２が安定的に維持される。

図３は、本発明の実施形態に係る風車出力抑制のための蓄電量目標値の設定イメージを示す図である。一般に出力一定型風車発電システムの場合、風車発電量から合成出力目標値を引いた値が蓄電池の充電可能kW(電力)を超える場合には、合成出力を一定に維持することができなくなる。

そこで、本発明の実施形態に係る風車出力抑制値に基づいて合成出力を安定化させる風車発電システムでは、蓄電池の充電可能量(kW)に0〜1の範囲の係数Kを掛けたものを、一定とする合成出力目標値に足し合わせ、風車出力抑制値とすることで風車発電量から合成出力目標値を引いた値が蓄電池の充電可能kW(電力)を超えないようにするものである。

これにより、蓄電池の充電可能kW(電力)が足りずに合成出力を維持できなくなることはなくなる。0〜1の範囲の係数Kを掛けるのは、風車発電機制御部（図示せず）による風車発電機制御(例えば風車の羽の角度を調整して出力を抑制するピッチ角制御)の遅れを考慮して蓄電池の容量に余裕を持たせるためである。

以上に説明した本発明の風車発電システムについて概括すれば、風車出力抑制値に基づいて風車発電量を制御すると共に合成出力目標値と前記風車発電量との差分による蓄電池への充放電指示を協調させることで合成出力を一定に維持できるものになる。

図４は、本発明の実施形態に係る合成出力目標値の設定のための詳細構成を示すブロック図である。合成出力目標値２１は、風況等を基に予想される風車出力量２３を基準とし、蓄電量目標値２４と現在の蓄電量６の差分をある所定の時間（例．１時間以上３時間未満）２５で割り、（掛算器２７で）係数K1を掛けたものを足し合わせることで得ることができる。

蓄電量目標値２４は、上記図２に示した風車出力抑制のための蓄電量目標値７と競合しないよう、図３の蓄電量目標値上限の値３７より小さくなるように設定する。
また、出力一定制御を維持できる蓄電量を確保するため、合成出力目標値を補正する蓄電量目標値を、図３の運用下限蓄電量（マージン有）より上方で、図３に示される蓄電量目標値２４の上限より小さくなるように設定する。

１ 電力安定化装置
２ 合成出力(連系点電力)
３ 風車発電機(ＷＴ)
４ 風車発電量
５ 充放電指令値
６ (現在の)蓄電量
７ 蓄電量目標値
８ 減算器
９ 或る時間(T1)
１１ 割算器
１２ 上下限リミッタ
２０ 合成出力目標値生成部
２１ 合成出力目標値
２２ 減算器
２３ 予想される風車出力量
２４ 蓄電量目標値
２５ 或る時間
２６ 割算器
２７ 掛算器
３０ 風車出力抑制値作成部
３１ 風車出力抑制値
３２ 蓄電池の充電可能kW(電力)
３３ 極性変換器
３４ 掛算器
３５ 選択器
３６ 加算器
３７ 運用上限蓄電量(マージン有)
４０ 電力貯蔵装置
４１ 双方向コンバータ
４２ 蓄電池

Claims (7)

1. 出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける風車発電機制御装置であって、該風車発電機制御装置は、風車出力抑制のための電力貯蔵装置の蓄電量目標値と現在の蓄電量との差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで算出される風車出力抑制値に基づいて前記風車発電装置の発電量を制御することを特徴とする風車発電機制御装置。
2. 請求項１記載の風車発電機制御装置において、
   前記合成出力目標値は、予想される風車発電量と、電力貯蔵装置の蓄電量目標値と現在の蓄電量の差分をある所定の時間で割り、それに所定の係数を掛けたものとを足し合わせることにより設定される、
   ことを特徴とする風車発電機制御装置。
3. 請求項１記載の風車発電機制御装置において、
   前記合成出力目標値は、現時点の電力貯蔵装置の貯蔵率と貯蔵率目標範囲を比較し、
   前記貯蔵率が前記目標範囲内であれば、過去の風力発電量の平均値に、
   前記貯蔵率が前記目標範囲を上回る場合には、前記風力発電量の平均値に１より大きい正の定数を乗じた値に、
   前記貯蔵率が前記目標範囲を下回る場合には、前記風力発電量の平均値に１より小さい正の定数を乗じた値に設定される、
   ことを特徴とする風車発電機制御装置。
4. 出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける風車発電装置の風車発電機制御方法であって、前記風車発電装置は、風車出力抑制のための電力貯蔵装置の蓄電量目標値と現在の蓄電量との差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで算出される風車出力抑制値に基づいて前記風車発電装置の発電量を制御することを特徴とする風車発電機制御方法。
5. 出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおいて、風車出力抑制のための蓄電量目標値と現在の蓄電量の差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで風車出力抑制値を算出する手段と、
   算出した風車出力抑制値を風車発電装置に入力して風車の発電量を制御する手段と、
   前記合成出力目標値と前記風車発電量との差分を充放電指令値として電力貯蔵装置に入力する手段と、
   該充放電指令値に基づいて前記電力貯蔵装置の蓄電量を制御して電力系統の連系点に出力する手段と、
   を有することを特徴とする風車発電システム。
6. 出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける風車発電方法であって、風車出力抑制のための蓄電量目標値と現在の蓄電量の差分を求め、その差分を所定の時間で除したうえでリミッタを介して制限して得た値又は電力貯蔵装置の充電可能kW(電力)に所定の係数を掛算して得た値のいずれかの低値に、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を足し合わせることで風車出力抑制値を算出する過程、算出した風車出力抑制値を風車発電装置に入力して風車の発電量を制御する過程、合成出力目標値と前記風車発電量との差分を充放電指令値として電力貯蔵装置に入力する過程、および、前記充放電指令値に基づいて前記電力貯蔵装置の蓄電量を制御して電力系統の連系点に出力する過程、を含むことを特徴とする風車発電方法。
7. 出力抑制が可能な風車発電装置と電力貯蔵装置を有する風車発電システムにおける蓄電量目標値を設定する風車発電方法であって、電力系統への風車発電量と電力貯蔵装置の電力貯蔵量との合成出力により設定される合成出力目標値を補正する蓄電量目標値を、運用下限蓄電量と、風車出力抑制のための電力貯蔵装置の蓄電量目標値との間とすることを特徴とする、風車発電方法。

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