JP4604111B2 - 風力発電装置および風力発電装置群 - Google Patents

Description

本発明は、風のエネルギーを利用して発電した電力を、電力系統に供給する風力発電装置、および複数の風力発電装置から構成されるウィンドファームに関する。

複数台の風力発電装置で構成される風力発電装置群（ウィンドファーム）において、ウィンドファームに目標発電量が設定され、ウィンドファームを構成する各風力発電装置の出力電力の合計を当該目標発電量に近づけるために、風力発電装置の間で保守履歴データや運転特性データなどの情報を交換し、風力発電装置の運転パターンを決定するウィンドファームが以下の特許文献１に示されている。特許文献２には、出力変動の大きい風力発電装置のパワーカーブの最大値をピッチ制御などで変更することで、出力変動を抑制する制御方法が記載されている。

特開２００２−３４９４１３号公報 特開２００１−２３４８４５号公報

これまで、特許文献１および特許文献２に記載されているように、ウィンドファーム内の運転台数を調整したり、パワーカーブの最大値を小さく制限して出力変動を緩和することが検討されてきた。パワーカーブの最大値を制限する手法では、変動はある程度緩和できるが、風速が急に低下した際には発電出力を低下させることになるため、変動が発生し、当該電力系統に接続された電源（例えば、火力発電所や原子力発電所など）や負荷（消費者）に電圧変動や周波数変動等の悪影響が生じるおそれがある。

本発明の目的は、ウィンドファームから電力系統へ出力される電力の変動を抑制し、できる限り長い時間一定の出力を維持することにある。

上記の本発明の目的は、一台以上の風力発電装置からなり、風力発電装置の発電電力を電力系統へ出力する風力発電装置群において、平均風速に対して得られる発電可能電力ＰＷよりも小さい発電電力指令値ＰＭを用い、さらに発電電力指令値ＰＭを風速変動によらず一定とすることにより達成することができる。

また、風力発電装置の出力を一定にするとき、回転速度が運転可能な上限値，下限値に達するときに、発電電力指令値ＰＭを変更することにより達成できる。

また、発電可能電力ＰＷが低下してきたときに回転数を高くすることで、回転エネルギーを蓄えておくことにより達成できる。

本発明により、風力発電装置の出力を長く一定に維持し、電力系統へ出力される電力の変動を抑制することができる。

以下に２つの実施例に分けて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の装置構成を示す単線結線図である。電力系統２００は発電設備や、工場や家庭などの負荷を含む。風力発電設備群１００は、変圧器１０１で電力系統２００に接続される。

風力発電設備群１００は１台以上の風力発電設備１０４で構成される。各風力発電設備は送電線１０５および変圧器１０１を介して電力系統に接続される。

風力発電設備群１００は、制御用のコントローラ１０２を持つ。コントローラ１０２は通信線１０３で各風力発電設備１０４と接続されており、制御のための信号を授受する。

次に図２を用いて、風力発電設備１０４を構成する。風力発電設備１０４の発電電力ＰＯＵＴは、前述のように電力系統２００に供給される。風力発電設備１０４は、発電機１０４−０１の軸に風を受けて回転する羽根１０４−０２を持つ。風力発電機１０４−０１の固定子および回転子は、電力変換器１０４−０４に接続される。電力変換器１０４−０４は、発電機の電流を調整し、電力系統に出力する電力ＰＯＵＴを調整する機能を持つ。発電電力ＰＯＵＴは、遮断器１０４−０６，連系用の変圧器１０４−０７を介して電力系統に出力される。電力変換器１０４−０４は図９に示すように２台の変換器ＣＮＶの直流部を接続した交流交流変換器で構成され、一方は発電機回転子に接続され、一方の変換器は系統と固定子（遮断器を介して）に接続される。また、各部の電流や電圧検出値ＦＢを出力する。

電力変換器１０４−０４の制御装置１０４−０５は、発電電力指令値ＰＭに従い電力系統に出力する電力ＰＯＵＴを制御する。したがって、電力ＰＯＵＴは、発電電力指令値ＰＭに追従する。また、制御装置１０４−０５は、無効電力の指令Ｑrefや、運転停止指令Ｒunなども受信し、発電電力ＰＯＵＴと同様に、系統に出力する無効電力ＱＯＵＴも制御する。電力を制御するため、制御装置１０４−０５は、電力変換器１０４−０４から電流や電圧などの値をセンサで検出した検出値ＦＢを入力する。

また制御装置１０４−０５は、運転停止指令Ｒunに従い、発電運転の停止や起動を行う機能も持つ。

風力発電設備１０４の風車制御装置１０４−０３は、コントローラ１０２から出力一定指令ＣＰを受信する。出力一定指令ＣＰを受信した場合、風車制御装置１０４−０３は、通常の発電運転から、発電出力ＰＯＵＴを一定に制御するモードに遷移する。また、風車制御装置１０４−０３は風速Ｕを入力し、風速Ｕの平均値Ｕmnから求められる発電可能電力ＰＷをコントローラ１０２に送信する。

また、風車制御装置１０４−０３は、制御装置１０４−０５に発電電力指令値ＰＭや無効電力指令値Ｑref、運転停止指令値を送信したり、羽根１０４−０２の羽根角度指令値Ｐitch^*を送る。羽根１０４−０２は羽根角度を変更する機構を備えており、羽根角度指令値Ｐitch^*に応じて角度を変更する。

本図では、交流励磁型発電機を例に構成を説明しているが、図３および図１０に示すような、同期発電機型の風力発電システムでも同様な効果がある。

次に、図４，図５，図６を用いて、風車制御装置１０４−０３について説明する。図４のグラフは、風車制御装置１０４−０３に入力された風速Ｕの平均風速Ｕmnから発電可能電力ＰＷを算出するための特性カーブ（パワーカーブ）ＰＣを示している。平均風速Ｕmnは入力された風速Ｕを例えば１分間平均などすることで計算する。計算した平均風速Ｕmnと特性カーブＰＣの交点から、発電可能電力ＰＷが求められる。

（数１）
ＰＷ＝ＰＣ（Ｕmn）
電力変換器の制御装置１０４−０５に送る発電電力指令値ＰＭは、例えば上記平均風速Ｕmnから求められるある時刻における発電可能電力ＰＷをＫ倍することで算出する。

（数２）
ＰＭ＝ＰＷ×Ｋ （ただしＫ＜１）

あるいは、平均風速ＵmnをＫ倍して求めても良い。このときの発電電力指令値ＰＭは、例えば、回転速度が運転できる下限に達したときに再度変更する。

このように風速から求められる発電電力ＰＷよりも小さい発電電力指令値ＰＭによって電力変換器を制御して発電電力をコントロールすることにより、風速変動による発電電力の変動をなくし、電力一定出力が実現できる。

図５は従来の出力制限を変更した例を示しているが、従来の方式ではパワーカーブの上限値を変更することになる。この方式では風速が上昇するときには発電電力の変動は抑制されるが、風速が減少すると発電電力が減少することになるので、出力が変動することになる。

図６は、本発明による発電電力指令値ＰＭの決定方法を説明する図である。本発明では、発電電力指令値ＰＭを一定に維持するため、発電機の速度変動が大きくなる。

図６左図は、平均風速Ｕmnと回転数目標値ＯＭＧの特性カーブを示しており、また、右図は、回転数検出値と発電電力指令値ＰＭの関係を示す。風速が変動することで、羽根から受けるエネルギーと系統に発電するエネルギーの差により回転数が変化する。その速度は、風速と回転数の特性カーブになるように、羽根の角度を変更して羽根から受けるエネルギーを調整する。短時間の風速変動によって速度が変動するが、羽根角度の調整により速度が所定の範囲内（回転数目標値ＯＭＧ０の近傍）に収まるようにコントロールされている。このとき、図６の左図に示すように、回転速度の回転数目標値ＯＭＧ０は、風速が低下するときに高めとなるように設定する。

また、右図に示すように、回転速度が上限または下限に達するまでは発電電力指令値ＰＭを変更しないように制御する。回転速度が上限または下限に達するまでは発電電力指令値ＰＭを変更しないように制御が可能になる。回転数が上限または下限に達した場合は、発電電力指令値ＰＭを速度変化が小さくなるように、すなわち上限に達したときは発電電力指令値ＰＭは増加、下限に達したときには発電電力指令値ＰＭは減少させる。

このように、本発明によれば、風速に対して得られる発電電力量よりも小さい発電電力指令値ＰＭを用い、さらに発電電力指令値ＰＭを風速変動によらず一定とすることで、風力発電装置の出力を一定にすることができる。

また、風力発電装置の出力を一定にするとき、回転速度が運転可能な上限値，下限値に達するときに、発電電力指令値ＰＭを変更することで、風力発電装置の停止を防止できる。

また、平均風速Ｕmnが低下してきたときに回転数を高くすることで、回転エネルギーを蓄えておくことができるため、発電電力ＰＯＵＴをさらに一定に維持したときの速度低下による運転停止が起こりにくい風力発電装置を提供できる。

次に図７を用いて、他の実施例について説明する。図７は、風車制御装置１０４−０３の羽根角度指令値作成方法について説明する図である。図６で説明したように、平均風速Ｕmnから回転数目標値ＯＭＧ０を作成する。発電可能電力ＰＷが低下してきたときに、回転数指令補正器は、回転数目標値ＯＭＧ０を高めに補正する。例えば、発電電力指令値ＰＭの上側（＋α）に、判定レベル（ＰＭ＋α）を設定し、発電可能電力ＰＷが、上記判定レベル（ＰＭ＋α）以下まで低下してきたとき、回転数目標値ＯＭＧ０を高めに補正して、ＯＭＧ０＋Ａを補正後の回転数目標値としてピッチ角指令値を作成する。本図では、ピッチ角制御のため、補正後回転数指令値ＯＭＧrefと回転数検出値ＯＭＧをフィードバック値とする比例積分器による羽根角度指令値Ｐitch^*作成方法を示している。

このように、発電可能電力ＰＷが低下してきたときに回転数を高くすることで、回転エネルギーを蓄えておくことができるため、発電電力ＰＯＵＴをさらに一定に維持したときの速度低下による運転停止が起こりにくい風力発電装置を提供できる。

次に図１に示すコントローラ１０２について図８を用いて説明する。コントローラ１０２は、各風力発電設備１０４から、発電可能電力ＰＷを受信し、その総和Ｐwsumを計算する。

（数３）
ＰＷsum＝ＰＷ１＋ＰＷ２・・・ＰＷＮ （１,２,…,Ｎは各風力発電設備を示す）
実施例１の図４で説明したのと同様に、総和ＰＷsumよりも小さい電力指令値ＰＦを作成する。コントローラ１０２は、実施例１図４で説明したのと同様な方法で、各風力発電装置の発電量ＰＷ１，ＰＷ２，・・・ＰＷＮから、各電力指令値ＰＦ１（＜ＰＷ１），ＰＦ２（＜ＰＷ２），・・・ＰＦＮ（＜ＰＷＮ）を、各風力発電設備１０４に指令する。

電力指令値ＰＦ１・・・ＰＦＮを総和ＰＷsumから計算する際に、風速の予測などを用いて、風速が今後弱くなることが予測されたときには電力指令値ＰＦ１・・・ＰＦＮを小さく設定し、風速が強くなることが予測されたときには電力指令値ＰＦ１・・・ＰＦＮを高めに設定することで、さらに出力を一定とすることもできる。

このように、コントローラ１０２で指令値を配分することで、風力発電設備群の出力する電力を一定にする機能を持たせることができる。

次に図１１および図１２を用いて他の実施例について説明する。

まず図１２について説明する。本実施例では、制御装置１０４−０５が系統の周波数Ｆreqを電圧の零クロスなどの方法により検出し、その値Ｆreqを風車制御装置１０４−０３に伝送する。

図１１に示すように、風車制御装置１０４−０３では、周波数Ｆreqが上昇した際には、電力系統の発電設備と負荷の間の電力供給量において発電量が過剰と判断し、発電電力指令値ＰＭを低下させる。また、逆に、風車制御装置１０４−０３は、周波数Ｆreqが減少した際には、電力系統の発電設備と負荷の間の電力供給量において発電量が不足したと判断し、発電電力指令値ＰＭを上昇させる機能をもつ。

ここでは、風車制御装置１０４−０３にて発電電力指令値ＰＭを変更する方法について述べたが、実施例３で説明したようにコントローラ１０２で風力発電装置群に指令値を分配してもよい。

このように、系統周波数により風力発電装置の発電電力を調整することで、電力系統の安定化に寄与する機能を持たせることができる。

今後、風力発電装置の導入量が増加すると、電力系統の電力変動が問題となることが考えられるため、出力電力の変動を抑制するために、蓄電装置などの変動補償装置が電力系統の安定化のために必要となることが予測される。そのため、風力発電装置の出力変動をできるだけなくして、変動補償装置のコストを低減することは、風力発電装置の導入量を今後増加させるために、避けられない重要な課題である。よってこの課題を達成する本発明は風力発電の分野において非常に大きな意味を持つ発明である。

本発明によれば、風速に対して得られる発電電力量よりも小さい発電電力指令値ＰＭを用い、さらに発電電力指令値ＰＭを風速変動によらず一定とすることで、風力発電装置の出力を一定にすることができる。これは、風力に限らず、自然エネルギーを用いた装置、例えば太陽光発電システム、波力／潮力発電システムなどにも適用できる。

電力系統および風力発電装置の回路構成を示した説明図。 風力発電装置の構成例を示した説明図。 風力発電装置の構成例を示した説明図。 本発明による風力発電装置の発電指令作成方法を示した説明図。 従来の風力発電装置の発電指令作成方法を示した説明図。 回転数による電力指令値の関係を説明した図。 実施例２における羽根角度制御器の構成図。 実施例２における構成例を示した説明図。 交流励磁型発電機用の電力変換器の構成を説明した図。 同期機型発電機用の電力変換器の構成を説明した図。 実施例４における電力指令変更方法を示した説明図。 実施例４における構成例を示した説明図。

符号の説明

１００ 風力発電設備群
１０１ 変圧器
１０２ コントローラ
１０３ 通信線
１０４ 風力発電設備
１０５ 送電線
１０４−０１ 発電機（交流励磁型）
１０４−０２ 羽根および羽根角度変更装置
１０４−０３ 風車制御装置
１０４−０４ 電力変換器
１０４−０５ 制御装置
１０４−０６ 遮断器
１０４−０７ 連系用変圧器
２００ 電力系統
３０４−０１ 発電機（同期機）
３０４−０４ 同期機用の電力変換器
３０４−０５ 同機器用電力変換器の制御装置
７００ 速度指令補正器
ＰＷ 発電可能電力
Ｕmn 平均風速
Ｕ 風速
ＰＭ 発電電力指令値
ＰＭＡＸ 発電電力指令最大値
ＯＭＧ０ 回転数目標値
ＯＭＧref 補正後回転速度指令
ＯＭＧ 回転数検出値
Ｐitch^* 羽根角度指令値

Claims (6)

1. 一台以上の風力発電装置からなり、前記風力発電装置は系統に出力する電力を調整するためのコンバータ装置を備え、風速から定まる発電電力指令値ＰＷを前記コンバータ装置に指令する発電制御装置を備え、コンバータ装置は前記風力発電装置が電力系統へ発電する電力を電力指令値にしたがって制御する機能を備えた風力発電装置において、
   前記発電制御装置は、前記風速から定まる発電可能電力ＰＷよりも小さい所定時間一定となる発電電力指令値ＰＭを、前記コンバータ装置に指令する機能を備え、
   前記発電電力指令値ＰＭと羽根が風から受けるエネルギーを概ね等しくして風車の回転数を所定値に維持するような羽根角度制御装置を備え、
   回転数が下限値近傍あるいは上限値近傍に至るまで、前記発電電力指令値ＰＭを保持する有効電力制御装置を前記コンバータ装置に備える
   ことを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   前記発電制御装置は、前記発電可能電力ＰＷが低下してきたときに、前記羽根の回転数を上昇させるような羽根角度制御装置を備え、
   回転数が下限値近傍あるいは上限値近傍に至るまで、前記発電電力指令値ＰＭを保持する有効電力制御装置を前記コンバータ装置に備える
   ことを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１乃至２に記載の風力発電装置において、
   前記風力発電装置を複数台備え、電力系統の同一線路に接続するウィンドファームを構成し、前記ウィンドファームが電力系統に出力する発電電力を所定値に制御するためのファーム制御装置を備え、
   ファーム制御装置は、ファーム内の各風力発電装置の発電可能電力ＰＷを入力し、ファーム出力電力指令値ＰＦを前記発電電力指令値ＰＷの総和よりも小さな値に設定する機能を備え、
   ファーム制御装置は、前記ファーム出力電力指令ＰＦを各風力発電装置に分配するための電力指令分配手段を備えることを特徴とする風力発電装置群。
4. 請求項１乃至３に記載の風力発電装置において、
   前記所定時間一定となる発電電力指令値ＰＭは、前記風速の平均値が低下してきたときに変更する手段を備えることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１乃至４に記載の風力発電装置において、
   風速予測値を用いて、前記発電電力指令値ＰＭを変更する手段を備えることを特徴とする風力発電装置群。
6. 請求項１乃至５に記載の風力発電装置において、
   風力発電装置が接続される電力系統の周波数を検出する手段と、周波数の検出値に上限値と下限値を持ち、前記上限値を前記検出した周波数が超えたとき、前記発電電力指令値ＰＭを低下させ、前記下限値を前記検出した周波数が下回ったとき、前記発電電力指令値ＰＭを増加する手段を備えることをを特徴とする風力発電装置。

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