JP3637186B2 - 風力発電装置の電力制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の電力制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より風力発電装置においては、図4に示すように風力エネルギーをブレード1により駆動軸2の回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを誘導発電機4により電気エネルギーに変換して電力系統15へ電力を供給している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、風力エネルギーは風速の変動にともない変動し、これに対応して電力系統へ供給される電力も変動する。この電力変動は系統の周波数変動や電圧変動をもたらすため、比較的大規模な系統に接続し風車発電力の変動の影響を極力受けないようにしている。
また、前記風力発電装置の発電機に誘導発電機が多く用いられているが、発電するためには系統より発電に必要な電力を供給する必要がある。
このように従来の風力発電装置では、小規模な系統や風車単独での運転が困難であった。
【0004】
そこで、本発明では風速変動を避けることの出来ない風力発電装置においても系統への供給電力の変動を極力抑制することで、小規模系統や風車単独での運転を可能とする風力発電装置の電力制御方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をAC/DC変換器により直流電力に変換したのち、更にDC/AC変換器により交流電力に変換して電力系統に供給する風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記AC/DC変換器にて無効電力(前記誘導発電機に磁界を発生させる電力)の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする。
【0006】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明に蓄電池による充放電機構を効果的に組合せたもので、
ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をAC/DC変換器により直流電力に変換したのち、更にDC/AC変換器により交流電力に変換して電力系統に供給するとともに、前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を蓄電池に蓄える充電装置と、また不足電力を前記蓄電池より供給するための放電装置を具えてなる風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記蓄電池への充電と並行して、前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記蓄電池よりの放電と並行して前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする。
【0007】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明にヒータによる放電機構を効果的に組合せたもので、
前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を放出するヒータを設け、前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には蓄電池への充電を行うとともに、該充電量が蓄電池の容量を超える恐れのある場合に、前記ヒータにて放電することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1は本発明の第1の実施形態に係る風力発電装置の説明図である。
図中、1は風車ブレードで、風車駆動軸2を介して誘導発電機4を連結するとともに、ブレードピッチ角駆動装置3によりそのピッチ角を調整可能に構成している。
5は該発電機4により発電された交流電力を直流電力に変換するAC/DC変換器、13は直流電力ライン6を介して得られる直流電力を交流電力に変換して系統ライン15へ供給するDC/AC変換器、14は電力系統ライン15の交流電力を直流電力に変換して直流電力ライン6に供給するAC/DC変換器で、その作用は後記に詳説する。
【0009】
次に本実施形態の動作を説明する。
風車ブレード1の起動は風速がカットイン風速(発電開始風速)以上になると、ピッチ角駆動装置3により、風車ブレード1のピッチ角をフェザリング(単に風を通過させる翼角)の位置から風力エネルギーを回収する方向へ動かして風車ブレード1の回転数を上昇させる。
そして、回転数が同期速度に到達すると電力系統ライン15に連結される。このとき、電力系統ライン15の有効電力をAC/DC変換器14により直流電力に変換して直流電力ライン6に供給され、この直流電力ライン6の直流電力からAC/DC変換器5により無効電力(誘導発電機4に磁界を発生させる電力)を生成し、風力誘導発電機4へ励磁電流が供給されて、該誘導発電機4が発電を始める。
【0010】
風車誘導発電機4で発電された交流電力はAC/DC変換器5にて直流電力に変換され直流電力ライン6へ供給される。
風車発電電力が増加して直流変換された電力が消費電力を上回る場合には、AC/DC変換器5にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレード1の回転数を上昇させる。この上昇により余剰エネルギーを一旦回転エネルギーとして蓄えることができる。(いわゆるフライホイールとしての役目)
【0011】
しかし、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、風車ブレード1が所定の回転数内となるようにピッチ角駆動装置3によりピッチ角を操作して制御する。
逆に、風車発電電力が減少してAC/DC変換器5にて直流変換された電力が、電力系統ライン15の消費電力を下回る場合には、AC/DC変換器5にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収する。
【0012】
このようにして、風速変動に伴い変動する風車発電力を、無効電力の周波数制御により平滑して系統へ給電できるため小規模系統での並列運転時に系統への擾乱を与えることがないとともに、単独運転時にはDC/AC変換器13により定周波数及び定電圧制御にて電力変換して電力系統へ給電することができる。
【0013】
図2は本発明の第2の実施形態に係る風力発電装置の説明図である。
前記第1の実施形態に付加した構成を説明するに、7は直流電力ライン6上に設けた余剰電力放電装置、14は前記したAC/DC変換器で、両装置よりの直流電力は切替器12を介して充電装置8に送られ、蓄電池10に充電される。切換器12は蓄電池10の充電が必要なときに、風車発電電力が過剰なときには余剰電力放電装置7からの電力で充電し、風車発電電力が不足のときには電力系統ライン15からの電力をAC/DC変換器14で直流電力に変換した電力で充電するように切り換える装置である。そして蓄電池10に充電された余剰電力は必要に応じ放電装置11を介して直流電力ライン6に戻される。
【0014】
次に本実施形態の動作を説明する。
前記実施形態と同様に、風車ブレード1の起動は風速がカットイン風速以上になるとブレード1のピッチ角をフェザリングの位置から風力エネルギーを回収する方向へ動かしてブレード1の回転数を上昇させる。
そして、回転数が同期速度に到達すると電力系統ライン15に連結される。このとき、配電系統の有効電力をAC/DC変換器14により直流電力に変換して直流電力ライン6に供給され、この直流電力ライン6の直流電力からAC/DC変換器5により無効電力を生成し、風車誘導発電機4へ励磁電流が供給され、誘導発電機4が発電を始める。
【0015】
また、蓄電池10に直流電力が蓄電されている場合には、この電力を放電装置11を介して直流電力ライン6上に直流電力が供給されて前記と同様に無効電力を生成し、風車誘導発電機4へ励磁電流を供給して起動することもできる。
風車誘導発電機4で発電された交流電力はAC/DC変換器5にて直流電力に変換され直流電力ライン6へ供給される。
【0016】
かかる構成において、風車発電電力が増加して直流変換された電力が消費電力を上回る場合には、前記実施形態と同様にAC/DC変換器5にて無効電力の周波数を上昇させて風車の回転数を上昇させる。この上昇により余剰エネルギーを一旦回転エネルギーとして蓄えることができる。
しかし、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、ブレード1が所定の回転数内となるようにピッチ角駆動装置3によりピッチ角を操作して制御する。
さらに風車発電電力が過剰となるときには、直流電力ライン6に設けた余剰電力放電装置7により放電し、切替器12を介して充電装置8にて蓄電池10に充電される。
【0017】
逆に、風車発電電力が減少して直流変換された電力が消費電力を下回る場合には、AC/DC変換器5にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収する。さらに電力系統ライン15への供給電力が不足する場合には、放電装置11により蓄電池10から放電して直流ライン6へ供給する。
【0018】
このようにして、風速変動にともない変動する風車発電力を、無効電力の周波数制御により平滑して系統へ給電できるため小規模系統での並列運転時に系統への擾乱を与えることがないとともに、また、定周波数及び定電圧制御により、系統へ定周波数、定電圧の電力を供給することができるので風車単独運転が可能となる。
【0019】
図3は前記第2の実施形態の変形例で、余剰電力放電装置の出力側にヒータ9を設けている。
かかる装置によれば、電力系統ライン15の電力需要(消費電力)が風車発電電力より小さくなる供給過多状態では、その供給過多中前記第2実施形態に示すように、蓄電池10への充電を行うが、その供給過多が長期化すると、蓄電池10の容量を超える不具合があり、この為余剰電力放電装置7の出力側に設けたヒータ9に放電する構成を取る。
【0020】
【発明の効果】
以上詳述したように、図1に対応する請求項1記載の発明によれば、風車発生電力の変動を余剰分はブレード回転数上昇により一旦回転エネルギーとして蓄え、不足分は回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することができるので、系統への供給電力の変動を抑制することができ、これにより小規模系統でも系統への擾乱を抑制することができるという利点がある。
【0021】
又図2に対応する請求項2記載の発明によれば 請求項1記載の発明に蓄電池による充放電機構を効果的に組合せた為に、風車発生電力の変動を、余剰分は前記したブレード回転数上昇により一旦回転エネルギーとして蓄えるとともに蓄電池に充電し、不足分は前記蓄積した回転エネルギーの回収とともに蓄電池より放電することができるので、請求項1記載の発明より更に効果的に系統への供給電力の変動を抑制することができ、小規模系統でも系統への擾乱を抑制することができるという利点がある。
また、いずれの発明も系統電圧および周波数をDC/AC変換器により一定に制御することにより、電力、系統周波数、系統電圧を一定にできるので、風車単独での運転が可能となる。
【0022】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明にヒータによる放電機構を効果的に組合せた為に、電力系統ラインの電力需要(消費電力)が風車発電電力より小さくなる供給過多状態が長期化し、蓄電池の容量を超える場合においても、ヒータの放電により安定した余剰電力の吸収が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態としての風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【図2】本発明の第二の実施形態としての風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【図3】本発明の第三の実施形態としての風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【図4】従来の風力発電装置の全体構成を示す系統図である。
【符号の説明】
1 風車ブレード
2 風車駆動軸
3 ブレードピッチ角駆動装置
4 誘導発電機
5 AC/DC変換器
6 直流電力ライン
7 余剰電力放電装置
8 充電装置
9 ヒータ
10 蓄電池
11 放電装置
12 切替器
13 DC/AC変換器
14 AC/DC変換器
15 系統ライン
Claims (3)
- ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をAC/DC変換器により直流電力に変換したのち、更にDC/AC変換器により交流電力に変換して電力系統に供給する風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする風力発電装置の電力制御方法。 - ピッチ角を調整可能に構成した風車ブレードに駆動軸を介して誘導発電機を連結し、該発電機よりの交流電力からなる風車発生電力をAC/DC変換器により直流電力に変換したのち、更にDC/AC変換器により交流電力に変換して電力系統に供給するとともに、前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を蓄電池に蓄える充電装置と、また不足電力を前記蓄電池より供給するための放電装置を具えてなる風力発電装置において、
前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には、前記蓄電池への充電と並行して、前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を上昇させて風車ブレードの回転数を上昇させることにより回転上昇エネルギーとして蓄えるとともに、この回転数の上昇が所定の回転数を超えると、前記風車ブレードが所定の回転数内となるように前記ピッチ角を操作して制御し、
一方、前記風車発電電力が、電力系統側の消費電力を下回る場合には、前記蓄電池よりの放電と並行して前記AC/DC変換器にて無効電力の周波数を下降させて、回転上昇エネルギーとして蓄えていた余剰エネルギーを回収することを特徴とする風力発電装置の電力制御方法。 - 前記直流電力ライン上に風車発電電力の余剰電力を放出するヒータを設け、前記風車発生電力が、電力系統側の消費電力を上回る場合には蓄電池への充電を行うとともに、該充電量が蓄電池の容量を超える恐れのある場合に、前記ヒータにて放電することを特徴とする請求項2記載の風力発電装置の電力制御方法。
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